JP2013032979A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車載用のレーダ装置で用いられる高効率なアンテナ装置を提供する。
【解決手段】車載用のレーダ装置で用いられるアンテナ装置は、複数のアンテナ素子が縦方向に並べられて構成されるアンテナ（図示の例では、受信アンテナ１２−１〜１２−Ｎ）を、前記縦方向と交差する横方向に複数並べて構成され、使用周波数の自由空間波長λに対して、前記横方向に複数並べられる前記アンテナの間隔Ｐが約２λであり、前記複数のアンテナ素子のそれぞれにホーン３３が設けられた、ことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車の走行方向を監視する車載用のレーダ装置で用いられるアンテナ装置に関する。

車載用のレーダ装置は、例えばミリ波を用いたレーダ機能を備え、自動車走行の安全性を高めるものであり、その普及のために、より高性能で低価格な装置の開発が進められている。このような車載用のレーダ装置は、例えば、デジタルビームフォーミング（ＤＢＦ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍ Ｆｏｒｍｉｎｇ）を行う。

ＤＢＦを行うレーダ装置は、横方向に並べられた複数列の受信アンテナを備え、各受信アンテナからの受信信号をデジタルデータに変換し、演算処理により等価的に各受信信号に位相差を与えて合成することによって走査ビームを生成するものであり、駆動部品や可動機構を要さず、高速、高精度で走査を行うことができる。

前方の自走車線および隣接車線の先行車或いは割り込み車等を監視するためには横方向に２０°程度の視野が必要とされる。レーダアンテナとして、導波管スロットアレーアンテナは、これに即した扇状のビーム特性を形成することができ、更に給電損失が小さいため高利得が得られ、全体が金属平板で構成されるため熱による性能変動や変形等が殆ど無く、また、放熱機能も得られるなど、小型の車載用レーダ装置に適した特長を持っている。

ここで、従来の導波管スロットアレーアンテナは例えば特許文献１に示される。その概要や原理は非特許文献１などで説明されている。
導波管スロットアレーアンテナは、十分長い導波管の壁面に多数のスロットを設け、各スロットから順次放射する電界を所定の方向で位相が揃うように周期的に配置することで高利得を得る進行波アンテナであり、各スロットの放射電界を同位相に揃えた場合にはアンテナ面（スロットを有する導波管壁面）に対して真直方向に主ビームが得られる。

通信等で用いられる高利得単一ビームアンテナでは、リニアアレーを横方向に多数配列し、給電導波管により全スロットの放射電界が同相になるように給電する。
一般的な構造としては、導波管溝を加工した金属平板（ベース）に、スロットを穿孔した金属薄板（スロット板）を合わせて、周囲をネジ止めするだけの簡易な製法が知られている。

ここで、各導波管を仕切る隔壁とスロット板を完全に密着させることは困難であるが、隣り合うリニアアレーを逆相で給電することで導波管間の電波の漏れ込みを抑制する方法が知られている。この方法は、壁面電流を隔壁の両側で逆向きにして相殺するものであり、多数のリニアアレーを用いる平面アレーアンテナでは大いに有効である。但し、最外の導波管では相殺の効果は得られず別の対策が必要である。例えば、非特許文献２では周囲にチョーク溝を設けることが示されている。

特開２０１０−１０３８０６号公報 特開２００７−２２８３１３号公報 特開平５−２０９９５３号公報

手代木扶／米山務 編著、「新ミリ波技術」、平成１１年１１月２５日、株式会社オーム社、ｐ．１１２−１１９ 電子情報通信学会総合大会、Ｂ−１−１３４、２０００年

ここで、詳細な説明は後述するが、車載用のＤＢＦを行うレーダ装置では、受信アンテナの間隔は２λ前後（つまり、約２λ）が適する。λは、使用周波数の自由空間波長である。
従来のスロットアレーを用いる場合は、２本または３本などのリニアアレーを一組として受信アンテナを構成することが考えられる。

図８は、従来のスロットアレーを用いた場合におけるレーダ装置に設けられたアンテナ装置の構造であって、（Ａ）は正面図であり、（Ｂ）は正面図において横方向に沿う切断線Ｖ−Ｖにおける横方向断面図である。この例は、２本のリニアアレーを一組として受信アンテナを構成した構造を示す。
このアンテナ装置は、隔壁１１３、１１４で区切られる複数の導波管溝１１１が形成されたベース板１０１と、ベース板１０１に重ねられ、導波管溝１１１を閉塞するとともに、各導波管溝１１１と連通するスロット１１２が穿孔されたスロット板１０２と、を備える。
そして、このアンテナ装置では、導波管溝１１１がスロット板１０２によって閉塞されていることで、中空の導波管１０３が形成されている。

また、図８には、導波管溝１１１の幅となる導波管１０３の長辺幅（本実施形態では、横方向の幅）Ｗａ１、受信アンテナの間隔Ｐ１、間隔（隣り合う導波管１０３の横方向の間隔）Ｄ、横方向と直交する縦方向で近くにあるスロット１１２の縦方向の間隔λｇ／２を示してある。
ここで、λｇは、導波管１０３の管内波長である。

対をなす導波管１０３に逆相給電（図８に示す＋と−の給電）を適用すれば、導波管壁面（隔壁１１３、１１４）とスロット板１０２との接合が緩くてもアンテナ内での漏れ込みは抑制される。
しかしながら、隣接アンテナ間では、各々の受信波は同じ周波数でも別個の信号であり、壁面電流の相殺効果は得られず漏れ込みを防止することは困難である。
レーダ装置、特にＤＢＦを行うレーダ装置では、受信信号間の混信によって位相が乱されると検知性能に大きな低下を来すため、殊に漏れ込み干渉を低抑する必要がある。

本発明は、このような事情を考慮して為されたものであり、車載用のレーダ装置で用いられる高効率なアンテナ装置を提供することを目的としている。

（１）上述した課題を解決するために、本発明に係る車載用のレーダ装置で用いられるアンテナ装置は、複数のアンテナ素子が縦方向に並べられて構成されるアンテナを、前記縦方向と交差する横方向に複数並べて構成され、使用周波数の自由空間波長λに対して、前記横方向に複数並べられる前記アンテナの間隔が約２λであり、前記複数のアンテナ素子のそれぞれにホーンが設けられた、ことを特徴とする。

（２）本発明は、（１）に記載のアンテナ装置において、前記ホーンは、導波管に設けられたスロットの長辺寸法から段状に不連続に広げられた形状を有する、ことを特徴とする。

（３）本発明は、（２）に記載のアンテナ装置において、前記ホーンは、導波管に設けられたスロットの長辺寸法から１段だけ段状に不連続に広げられた形状を有し、その形状が角錐である、ことを特徴とする。

（４）本発明は、（１）から（３）のいずれか１項に記載のアンテナ装置において、前記ホーンのスロット側の底部の横方向の幅が１．５λ以上である、ことを特徴とする。

（５）本発明は、（１）から（４）のいずれか１項に記載のアンテナ装置において、導波管の長辺幅が１λ未満である、ことを特徴とする。

（６）本発明は、（１）から（４）のいずれか１項に記載のアンテナ装置において、導波管の長辺幅が１λ以上１．５λ未満である、ことを特徴とする。

（７）本発明は、（１）から（６）のいずれか１項に記載のアンテナ装置において、前記アンテナは受信アンテナである、ことを特徴とする。

（８）本発明は、（１）から（６）のいずれか１項に記載のアンテナ装置において、前記アンテナは送信アンテナである、ことを特徴とする。

（９）上述した課題を解決するために、本発明に係る車載用のレーダ装置で用いられるアンテナ装置は、１列以上の送信アンテナと複数列の受信アンテナを横方向に並べて備え、前記送信アンテナは、複数のアンテナ素子が前記横方向と交差する縦方向に並べられて構成され、前記複数のアンテナ素子のそれぞれにホーンが設けられ、前記受信アンテナは、複数のアンテナ素子が縦方向に並べられて構成され、前記複数のアンテナ素子のそれぞれにホーンが設けられ、使用周波数の自由空間波長λに対して、前記横方向に複数並べられる前記受信アンテナの間隔が約２λである、ことを特徴とする。

（１０）本発明は、（９）に記載のアンテナ装置において、前記送信アンテナと前記受信アンテナとで形状が異なる、ことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、車載用のレーダ装置で用いられる高効率なアンテナ装置を提供することが可能になる。

本発明の実施形態に係る車載用のレーダ装置に設けられたアンテナ装置の構造を示す正面図である。 本発明の実施形態に係る車載用のレーダ装置に設けられたアンテナ装置の構造（立体構造）であって、（Ａ）は正面図であり、（Ｂ）は正面図において横方向に沿う切断線Ｉ−Ｉにおける横方向断面図であり、（Ｃ）は正面図において横方向と直交する縦方向に沿う切断線ＩＩ−ＩＩにおける縦方向断面図であり、（Ｄ）は横方向断面図において縦方向にＩＩＩ矢視した裏面図である。 （Ａ）はホーンの開口面の電界図であり、（Ｂ）はホーンの正面図（放射面）であり、（Ｃ）はホーンの正面図において横方向に沿う切断線ＩＶ−ＩＶにおけるホーンの横方向断面図である。 各モードの電界分布を示す図である。 他の構造を有するホーンの例を示す横方向断面図である。 他の構造を有するホーンの例を示す横方向断面図である。 他の構造を有するホーンの例を示す横方向断面図である。 従来のスロットアレーを用いた場合におけるレーダ装置に設けられたアンテナ装置の構造であって、（Ａ）は正面図であり、（Ｂ）は正面図において横方向に沿う切断線Ｖ−Ｖにおける横方向断面図である。 段付きのホーンの横方向面の放射指向特性（アンテナ特性）を示す図である。 従来のスロットアレーの横方向面の放射指向特性（アンテナ特性）を示す図である。 本発明の実施形態に係る車載用のレーダ装置に設けられたアンテナ装置（レーダアンテナ）の横方向面の放射指向特性（アンテナ特性）の設計例を示す図である。 従来のスロットアレーによるアンテナ装置（レーダアンテナ）の横方向面の放射指向特性（アンテナ特性）の設計例を示す図である。 本発明の実施形態に係る車載用のレーダ装置に設けられたアンテナ装置（レーダアンテナ）で、受信アンテナ間隔を広げた場合における横方向面の放射指向特性（アンテナ特性）の設計例を示す図である。 本発明の実施形態に係る車載用のレーダ装置に設けられたアンテナ装置（レーダアンテナ）の仰角方向の放射指向特性（アンテナ特性）の設計例を示す図である。 ＤＢＦパターンの例を示す図である。

図１は、本発明の実施形態に係る車載用のレーダ装置に設けられたアンテナ装置（レーダアンテナ１）の構造を示す正面図である。
本実施形態では、ＤＢＦを行うレーダ装置に設けられたアンテナ装置（レーダアンテナ１）の配置構成を示す。

図２は、本発明の実施形態に係る車載用のレーダ装置に設けられたアンテナ装置の構造（立体構造）であって、（Ａ）は図１に示す鎖線囲み部分の範囲３０００の正面図であり、（Ｂ）は正面図において横方向に沿う切断線Ｉ−Ｉにおける横方向断面図であり、（Ｃ）は正面図において横方向と直交する縦方向に沿う切断線ＩＩ−ＩＩにおける縦方向断面図であり、（Ｄ）は横方向断面図において金属プレート２２を高さ方向にＩＩＩ矢視した裏面図である。

なお、この例では、Ｎ（Ｎは複数値）列の受信アンテナ１２−１〜１２−Ｎの構造を示してあるが、送信アンテナ１１についても、寸法は異なり得るが、いずれかの受信アンテナ１２−１〜１２−Ｎ（つまり、１列分の構造）と同様な構造を用いることができる。

ここで、本発明の実施形態に係る車載用のレーダ装置に設けられたアンテナ装置は、例えば、自動車などの車両の前方部に、アンテナ装置の横方向が車両の横方向（車両が地面に存在するときにおける略水平（左右）方向）となり且つアンテナ装置の縦方向が車両の縦方向（車両が地面に存在するときにおける略垂直（上下）方向）となるように設置される。

図１および図２を参照して、本実施形態に係る車載用のレーダ装置に設けられたアンテナ装置（レーダアンテナ１）の構造について説明する。
図１に示すように、レーダアンテナ１は、複数のアンテナ素子を縦方向に沿って配列する１列の送信アンテナ１１と、複数のアンテナ素子を縦方向に沿って配列し、横方向にＮ列設けられた受信アンテナ１２−１〜１２−Ｎを備える。
各受信アンテナ１２−１〜１２−Ｎは、等しい受信アンテナの横方向の間隔（ホーン３３、矩形導波管３１、スロット３２の横方向の間隔）Ｐで横方向に並べて配置される。

また、１列分の送信アンテナ１１は、縦方向に等しい間隔Ｑｔで並べられるアンテナ素子の行数（縦方向のホーン５１の並びの数）として、縦方向に１２行を有している。
また、１列分の受信アンテナ１２−１〜１２−Ｎは、縦方向に等しい間隔Ｑｒで並べられるアンテナ素子の行数（縦方向のホーン３３の並びの数）として、縦方向に１２行を有している。

図２に示すように、レーダアンテナ１は、アンテナ板２１と、アンテナ板２１の裏面側に配設された金属プレート２２と、を備える。
アンテナ板２１は、裏面側に開口するようにして縦方向に延設された断面略矩形の導波管溝３４と、導波管溝３４の表面側に形成され、アンテナ板２１の表面に開口するホーン３３と、ホーン３３と導波管溝３４とに連通するスロット３２と、を有する。

アンテナ板２１の裏面には、タップ穴２３と、タップ穴２３の縦方向両側へと延設されたチョーク溝２４と、が形成されている。金属プレート２２は、タップ穴２３に螺合されたボルト２５によってアンテナ板２１の裏面に固定されている。
導波管溝３４は、金属プレート２２によって閉塞され、これにより断面略矩形の矩形導波管３１が形成されている。矩形導波管３１（導波管溝３４）は、縦方向に延設され、横方向に複数間隔をおいて設けられている。
また、ホーン３３およびスロット３２は、矩形導波管３１と対応して縦方向に間隔をおいて複数設けられている。

なお、本実施形態では、矩形の形状を有する導波管（矩形導波管３１）を用いた場合を示すが、他の形状を有する導波管が用いられてもよい。

本実施形態では、ホーン３３として、段付きの角錐ホーンを用いている。
具体的には、ホーン３３は、表面側の開口部に対して裏面側の底部が縮小するような角錐状に形成されている。開口部、底部は、横方向に沿う長辺と、縦方向に沿う短辺とを有する略矩形に形成されている。開口部の長辺、短辺は、それぞれ底部の長辺、短辺より大きく設定されている。
スロット３２も、断面略矩形に形成されている。スロット３２の横方向に沿う長辺は、ホーン３３の底部の長辺より小さく設定されている。また、スロット３２の縦方向に沿う短辺は、ホーン３３の底部の短辺と略等しく設定されている。そして、ホーン３３の底部には、スロット３２の横方向両側にアンテナ板２１の表面および裏面に略平行な平面を有する段部が形成されている。

このように、本実施形態では、各受信アンテナ１２−１〜１２−Ｎは、一本の矩形導波管３１の長辺面に導波管の長さ方向に垂直なスロット３２を持ち、各スロット３２には各々ホーン３３が設けられる（本実施形態では、装加される）。
これらはアンテナ板２１に一体加工され、ホーン３３の開口側（放射面）に対して導波管溝３４側の面（裏面）に金属プレート２２を合わせてボルト２５で密着固定し、矩形導波管３１の中空構造を成す。
また、図２（Ｄ）の裏面図は、アンテナ板２１を裏面から見たものであり、ボルト２５を通すタップ穴２３、チョーク溝２４も同じく一体加工で設けられる。

また、図２には、ホーン３３の開口部における長辺の長さとなる横幅（開口幅）Ａ、開口部における短辺の長さとなる縦幅Ｂ、受信アンテナ１２−１〜１２−Ｎの横方向の間隔（ホーン３３、矩形導波管３１、スロット３２の横方向の間隔）Ｐ、受信アンテナ１２−１〜１２−Ｎの縦方向の間隔（ホーン３３、スロット３２の縦方向の間隔）Ｑｒ、矩形導波管３１の長辺幅（本実施形態では、横方向の幅）Ｗａを示す。

裏面では、間隔２λに対して矩形導波管３１の長辺幅（横幅）Ｗａは通常１λ未満であるため、隣り合う矩形導波管３１の間に幅広い隔壁３５が残る。
例えば、７６ＧＨｚ帯では約４ｍｍの余地があり、径３ｍｍ程度のボルト２５を要所に配して密着を得ることができる。
但し、矩形導波管３１の長辺幅（横幅）Ｗａについては、他の構成もあり得る。

更に、チョーク溝２４を併用すれば、少ないボルト数でも確実に漏れ込みを阻止することができる。
また、本実施形態では、組み付けボルト２５は放射面の裏側に設置され、装置外周のチョーク溝やボルトしろのための外枠構造も不要であり、装置面積は放射に要する面積とほぼ等しい最小寸法にすることができる。
本実施形態に係るレーダ装置に設けられたアンテナ装置（レーダアンテナ１）は、アンテナ性能上も、ＤＢＦを行うレーダ装置に適した特長を持つ。

次に、各種の寸法について説明する。
送信アンテナ１１のホーン５１の縦方向の間隔Ｑｔと各受信アンテナ１２−１〜１２−Ｎのホーン３３の縦方向の間隔Ｑｒとは等しく（Ｑｔ＝Ｑｒ＝Ｑとする）、このホーンの縦方向の間隔Ｑを、矩形導波管３１の管内波長λｇと等しくすることにより各ホーンが同位相で給電される。
ここで、矩形導波管３１の管内波長λｇは、矩形導波管３１の長辺幅Ｗａに対して式（１）で表される。

λｇ＝（１／λ^２−１／４Ｗａ^２）^−１／２ ・・・（１）

λは、使用周波数の自由空間波長であり、車載用のミリ波レーダに用いられる７６ＧＨｚ帯では７６．５ＧＨｚで３．９２ｍｍである。Ｗａ＝３．６ｍｍである場合には、λｇ＝４．６７ｍｍであり、ホーンの縦幅Ｂは４ｍｍ程度になる。
なお、本実施形態では、送信アンテナ１１のホーン５１の横幅（開口幅）Ｃは、３λ以上の値であるが、他の例として、受信アンテナ１２−１〜１２−Ｎのホーン３３の横幅（開口幅）Ａと同等或いはそれ以上（且つ３λ未満）である構成が用いられてもよい。

レーダ性能として、例えば、自走車線或いは隣接車線の先行車を分離して検出することができる高分解能が求められる。このためには、走査ビーム幅はできるだけ鋭俊なものが望ましい。
ＤＢＦビーム幅は、概ね受信アンテナ１２−１〜１２−Ｎの列数Ｎとその間隔Ｐの積に反比例するが、受信アンテナの列数（Ｎ）が増えるに伴って受信器、信号変換器など、受信系の規模が増大し、装置が高価格、大型になる。

一方、アンテナ間隔が大きすぎると、グレーティングローブが障害となる。
アンテナ面に真直方向を基準（０°）に、レーダの視野角（検知範囲）を左右ω°として、グレーティングローブは、ｓｉｎ^−１［ιλ／Ｐ±ｓｉｎ（ω）］の範囲に現れる（ι＝１，２，・・・）。
ω＝１０°の場合は、間隔Ｐが２．８８λより大きいと視野角内にグレーティングローブが現れるため、走査ビームと判別できず到来波の方位が特定できなくなる。

このため、車載用のレーダ装置では、受信アンテナ１２−１〜１２−Ｎの間隔Ｐを２λ前後（つまり、約２λ）に選ぶことが適切と考えられる。
例えば、Ｐ＝２λである場合には、グレーティングローブは１９〜４２°および５６〜９０°の範囲に現れる。この方向から強い到来波があると正面方向にあるものと誤検知されるため、レーダアンテナの送受信指向特性において、グレーティングローブの出現角度範囲のサイドローブレベルを低抑する必要がある。

図３は、本発明の実施形態に係る車載用のレーダ装置に設けられたアンテナ装置のホーン（本実施形態では、段付きの角錐ホーン）３３の構造および原理を示す説明図である。
図３は、（Ａ）はホーン３３の開口面の電界図であり、（Ｂ）はホーン３３の正面図（放射面）であり、（Ｃ）はホーン３３の正面図において横方向に沿う切断線ＩＶ−ＩＶにおけるホーン３３の横方向断面図である。
ここで、図３（Ｃ）のホーン３３の横方向断面図では、各モード（ＴＥ１０モード電界、ＴＥ３０モード電界）の伝搬、発生を示してある。また、矩形導波管３１の長辺幅（本実施形態では、横方向の幅）Ｗａ、ホーン３３の底部の横方向の幅Ｆ、ホーン３３の奥行き（本実施形態では、高さ方向の長さ）Ｈを示してある。

ホーン３３は、スロット３２側の底部が長辺方向（本実施形態では、横方向）に１．５λ以上の横幅Ｆを持ち、スロット３２の長辺寸法（本実施形態では、矩形導波管３１の長辺幅Ｗａと等しい寸法）から段状に不連続に広げられた形状を有し、これによって発生する高次モードを用いて放射特性を修整するものである。
通常、導波管は単一のモードのみが伝送されるように寸法を決める。矩形導波管３１では、長辺がλ／２以上１λ未満、短辺がλ／２未満である場合、ＴＥ１０モードだけが伝送され、これを主モードと称する。

ここで、導波管の長辺が１λ、或いは１．５λより大きくなると、それぞれ、ＴＥ２０モード、或いはＴＥ３０モードを伝送できるようになる。
図３において、（Ａ）のホーン３３の開口面の電界図に示すように、本実施形態では、ホーン３３は、底部の不連続でＴＥ３０モードを発生させ、放射開口面にはＴＥ１０モードの電界とＴＥ３０モードの電界が合成された電界分布を生ずる。
図３（Ａ）のホーン３３の開口面の電界図は、ホーン３３の開口面での両モード成分の電界方向および分布様相を示す。

図４は、各モードの電界分布を示す図である。
このグラフの横軸はホーン３３の横方向の開口幅Ａの横幅方向（中心位置を０として、−Ａ／２〜Ａ／２）を表しており、このグラフの縦軸は電界強度を表している。これにより、横軸を横幅方向として、開口電界強度分布の計算例を示してある。
具体的には、ＴＥ１０モードの電界強度分布２００１、ＴＥ２０モードの電界強度分布２００２、ＴＥ３０モードの電界強度分布２００３、ＴＥ１０モードの電界とＴＥ３０モードの電界が合成された電界（ＴＥ１０モード＋ＴＥ３０モード）の電界強度分布２００４を示してある。

図４に示されるように、ＴＥ１０モードとＴＥ３０モードの電界比が３：１で、中央での電界方向が逆向きである場合に、最も効率が高く、ＴＥ１０モード単一の場合より０．５ｄＢの利得増が得られる。
ここで、ＴＥ３０モードの発生量および相対位相は、ホーン３３の底部の横方向の幅Ｆ、ホーン３３の横方向の開口幅Ａ、ホーン３３の奥行きＨの寸法を選んで調整することができる。この調整は、一例として、レーダのローブの様子を検出して、設定者がレーダのサイドローブの様子を画面で見ながら行うことができる。

なお、ＴＥ２０モードも存在できるが、図４に示されるように、左右逆対称な電界分布を持つため、左右に大きな非対称がある場合にのみ発生し、７６ＧＨｚ帯でも０．１ｍｍ程度の精度で対称性が保たれていれば無視できることが実験でも確かめられている。

また、ここでは、ＴＥ１０モード、ＴＥ２０モード、ＴＥ３０モードを示したが、更に高次のモードが用いられてもよい。但し、更に高次のモードは、レベルが小さいため、通常は、ＴＥ１０モード、ＴＥ３０モードを用いるのが好ましいと考えられる。

図５は、他の構造を有するホーン４１の例を示す横方向断面図である。
この例に係る段付きのホーン４１は、多段（この例では、２段）で、段状に不連続に広げられた形状を有する。
具体的には、本変形例のホーン４１は、表面側に開口する第一部分と、第一部分の裏面側に設けられた第二部分とを有する。

本変形例のホーン４１において、第一部分は、断面略矩形で、表面側から裏面側に向かって同一の断面に形成されている。また、第二部分は、断面略矩形で、表面側から裏面側に向かって同一の断面に形成されている。第二部分は、矩形断面の大きさが第一部分よりも小さく形成されて、第一部分と連通している。そして、第一部分の第二部分と連通する底部には、表面および裏面に略平行な平面を有する段部が形成されている。また、第二部分は、スロットに連通していて、矩形断面の大きさがスロットよりも大きく形成されている。そして、第二部分のスロットと連通する底部にも、表面および裏面に略平行な平面を有する段部が形成されている。

図６は、他の構造を有するホーン４２の例を示す横方向断面図である。
この例に係る段付きのホーン４２は、多段（この例では、２段）で、テーパ状（段付きの一例とする）に広げられた形状を有する。
すなわち、本変形例のホーン４２も、表面側に開口する第一部分と、第一部分の裏面側に設けられた第二部分とを有する。第一部分および第二部分は、それぞれ、側面が、表面側から裏面側へと向かうに従って、外側から内側へと傾斜するような傾斜面として形成されていて、互いに傾斜角度が異なっている。

図７は、他の構造を有するホーン４３の例を示す横方向断面図である。
この例に係る段付きのホーン４３は、多段（この例では、２段）に形成されている。
本変形例のホーン４３も、表面側に開口する第一部分と、第一部分の裏面側に設けられた第二部分とを有する。第一部分は、テーパ状に形成されている。また、第二部分は、スロットと連通する底部に段部が形成されている。
この例に係るホーン４３の形状は、図５に示される段部の形状と図６に示されるテーパ部の形状を組み合わせたような形状である。

このように、段付きのホーンの形状としては、図５に示されるような多段構成、図６に示されるようなテーパ状、或いは図７に示されるようなこれらの複合形状、等々、多様に考えられるが、１．５λ以上の幅で不連続を持つことで同じ作用が得られる。
従って、段付きのホーンの開口寸法は、横幅（開口幅）Ａが２λ程度或いはそれより大きい場合に効果が現れる。

ここで、図１〜図３および図５〜図７では、段付きのホーンの形状として幾つかの例を示したが、不連続な他の様々な形状が用いられてもよい。
一例として、六角形など他の矩形の形状が用いられてもよい。
また、他の例として、矩形のような直線状の形状ばかりでなく、円状や楕円状など曲線状の形状が一部または全部に用いられてもよい。
なお、通常は、曲線状の形状よりも直線状の形状を用いた方が、製造上で作りやすいという利点がある。

また、段付きのホーンの段数としては、１段以外に、２段以上の構成が用いられてもよい。但し、段数は少ない方が、小型化や低価格を実現するためには好ましいと考えられる。

次に、本発明の実施形態に係る車載用のレーダ装置に設けられたアンテナ装置により得られる放射特性について、従来のスロットアレーで構成したアンテナ装置との比較で示す。
ここで、本発明の実施形態に係る車載用のレーダ装置に設けられたアンテナ装置は図１および図２に示されるものであり、従来のスロットアレーで構成したアンテナ装置は図８に示されるものである。

図９は、本発明の実施形態に係る車載用のレーダ装置に設けられたアンテナ装置に備えられた、段付きのホーン３３の横方向面の放射指向特性（アンテナ特性）を示す図である。横軸は中心からの離角θ（度）を表しており、縦軸は利得（ｄＢｉ）を表している。
図１０は、従来のスロットアレーの横方向面の放射指向特性（アンテナ特性）を示す図である。横軸は中心からの離角θ（度）を表しており、縦軸は利得（ｄＢｉ）を表している。

図９に示すグラフについて説明する。
特性２０１１（Ｉ）、特性２０１２（ＩＩ）、特性２０１３（ＩＩＩ）は、受信アンテナを想定したものである。
この例では、図２および図３において、アンテナの横方向の間隔Ｐを２λ（＝７．８４ｍｍ）として、ホーン３３の寸法は、横方向の開口幅Ａ＝７．４ｍｍ、開口面の縦幅Ｂ＝４ｍｍとし、また、ホーン３３の奥行きＨ＝５ｍｍとした場合である。

そして、特性２０１１（Ｉ）は、例外的に段無しのホーンとしたものであり、ホーンの底部の横方向の幅Ｆ＝３．６ｍｍ（段無し）とした場合の計算値である。
特性２０１２（ＩＩ）は、段付きのホーン３３の底部の横方向の幅Ｆ＝６ｍｍとした場合の計算値である。
特性２０１３（ＩＩＩ）は、段付きのホーン３３の底部の横方向の幅Ｆ＝７．１ｍｍとした場合の計算値である。

利得としては、本実施形態の構造では、段無しのホーン（特性２０１１）においても１２．７ｄＢｉ（開口効率７７％）が得られる。また、段付きのホーン３３を用いた場合（特性２０１２、特性２０１３）には、１３．２〜１３．４ｄＢｉ（開口効率８６〜９０％）の高性能が得られる。

指向特性としては、横方向の開口幅Ａが一定である場合はビーム幅を狭めるとサイドローブは高くなるが、送信アンテナ１１では開口幅に配置上の制約はないため、ホーンの横方向の開口幅Ｃ、底部の横方向の幅Ｆ’、奥行きＨ’の寸法を適宜選ぶことによって、同じ狭いビームでも低サイドローブの特性を得ることもできる。

具体例として、特性２０１４（ＩＶ）、特性２０１５（Ｖ）は、送信アンテナ１１を想定したものである。
特性２０１４（ＩＶ）は、ホーン５１の寸法は、横方向の開口幅Ｃ＝１４．５ｍｍ、開口面の縦幅Ｂ’＝４ｍｍ、奥行きＨ’＝１３．５ｍｍ、底部の横方向の幅Ｆ’＝６．５ｍｍとした場合の計算値である。
特性２０１５（Ｖ）は、ホーン５１の寸法は、横方向の開口幅Ｃ＝１５．７ｍｍ、開口面の縦幅Ｂ’＝４ｍｍ、奥行きＨ’＝１５ｍｍ、底部の横方向の幅Ｆ’＝６．３２ｍｍとした場合の計算値である。

なお、送信アンテナ１１のホーン５１に関する横方向の開口幅Ｃ、開口面の縦幅Ｂ’、奥行きＨ’、底部の横方向の幅Ｆ’は、それぞれ、受信アンテナ１２−１〜１２−Ｎのホーン３３に関する横方向の開口幅Ａ、開口面の縦幅Ｂ、奥行きＨ、底部の横方向の幅Ｆと対応した部分の長さを表す。

図１０に示すグラフについて説明する。
特性３０１１（Ｉ）は、図９に示すグラフで使用した受信アンテナのホーン３３と同じ放射面積での放射特性である。
図８において、アンテナの横方向の間隔は同じくＰ１＝２λとする。また、スロット１１２は横方向と直交する縦方向にλｇ／２の間隔で配置されるため、図８に示される範囲３００１（図８における鎖線囲みの部分の範囲）のスロット１１２は、４個一組がホーン１個に相当する。
この４素子アレーで、図８に示される間隔（隣り合う導波管１０３の横方向の間隔）Ｄ＝３．９２ｍｍ（＝１λ）の場合を示す。
特性３０１１（Ｉ）は、図８に示す例のように、リニアアレー本数ｍ＝２である場合である。

特性３０１３（ＩＩＩ）は、図８に示される間隔（隣り合う導波管１０３の横方向の間隔）Ｄ＝２．６ｍｍとして、リニアアレー本数ｍ＝２とした場合の特性である。
特性３０１４（ＩＶ）は、図８に示される間隔（隣り合う導波管１０３の横方向の間隔）Ｄ＝２．６ｍｍとして、リニアアレー本数ｍ＝３とした場合であり、６素子アレーの特性である。

特性３０１１（Ｉ）では、素子アレーのグレーティングローブが大きく現れる。
これに比べると、特性３０１４（ＩＶ）の方がサイドローブを低くできるが、導波管幅が狭くなり、遮断寸法（λ／２）に近いと周波数や製造精度による特性変動が大きくなる。また、素子が近接するため、スロット１１２間の相互結合も増え、安定した性能が得難くなる。

次に、送信アンテナについて、特性３０１２（ＩＩ）および特性３０１５（Ｖ）を説明する。
特性３０１２（ＩＩ）は、図８に示される間隔（隣り合う導波管１０３の横方向の間隔）Ｄ＝３．９２ｍｍ（＝１λ）で、リニアアレー本数ｍ＝３とした場合である。
特性３０１５（Ｖ）は、図８に示される間隔（隣り合う導波管１０３の横方向の間隔）Ｄ＝２．６ｍｍで、リニアアレー本数ｍ＝４とした場合である。

受信／送信のいずれにおいても、特にＤＢＦを行うレーダアンテナでは素子数が少ないため、素子アレーの特性では放射電界の相殺点（ヌル）および重畳点（ピーク）が顕著に現れ、ホーンのような連続電界面からの放射に比べて高いサイドローブが生じる。

図１１は、本発明の実施形態に係る車載用のレーダ装置に設けられたアンテナ装置（レーダアンテナ１）の横方向面の放射指向特性（アンテナ特性）の設計例を示す図である。横軸は中心からの離角θ（度）を表しており、縦軸は相対レベル（ｄＢ）を表している。
この例では、アンテナの横方向の間隔Ｐを２λ（＝７．８４ｍｍ）とした。
受信特性２０２１は、ホーン３３の寸法を、横方向の開口幅Ａ＝７．４ｍｍ、開口面の縦幅Ｂ＝４ｍｍ、奥行きＨ＝５ｍｍ、底部の横方向の幅Ｆ＝７．１ｍｍとした場合の設計例である。
送信特性２０２２は、ホーン３３の寸法を、横方向の開口幅Ｃ＝１５．７ｍｍ、開口面の縦幅Ｂ’＝４ｍｍ、奥行きＨ’＝１５ｍｍ、底部の横方向の幅Ｆ’＝６．３２ｍｍとした場合の設計例である。

レーダ指向特性２０２３は、受信特性２０２１と送信特性２０２２を掛け合わせたものである。
この例では、レーダ指向特性２０２３として、ＤＢＦのグレーティングローブが現れる離角１９°以上の領域で、−３０ｄＢ以下を狙った設計例を示す。

図１２は、従来のスロットアレーによるアンテナ装置（レーダアンテナ）の横方向面の放射指向特性（アンテナ特性）の設計例を示す図である。横軸は中心からの離角θ（度）を表しており、縦軸は相対レベル（ｄＢ）を表している。
設計諸元は、受信特性３０２１は、図８に示される間隔（隣り合う導波管１０３の横方向の間隔）Ｄ＝２．６ｍｍで、リニアアレー本数ｍ＝３とした場合である。また、送信特性３０２２は、図８に示される間隔（隣り合う導波管１０３の横方向の間隔）Ｄ＝２．７ｍｍで、リニアアレー本数ｍ＝４とした場合である。

レーダ指向特性３０２３は、受信特性３０２１と送信特性３０２２を掛け合わせたものである。
この例では、受信特性３０２１と送信特性３０２２のうちの一方のピークに他方のヌルを重ねることで調整しても、本実施形態に比べると高いサイドローブが残る。

更に、本実施形態では、種々のレーダ性能要件に対しても、ホーン３３、５１の寸法選定だけで設計対応することができる。例えば、少ない受信系統数で高分解能を得るためには、受信アンテナ１２−１〜１２−Ｎの横方向の間隔Ｐを広げることが有効である。

図１３は、本発明の実施形態に係る車載用のレーダ装置に設けられたアンテナ装置（レーダアンテナ１）で、受信アンテナ１２−１〜１２−Ｎの横方向の間隔Ｐを広げた場合における横方向面の放射指向特性（アンテナ特性）の設計例を示す図である。横軸は中心からの離角θ（度）を表しており、縦軸は相対レベル（ｄＢ）を表している。
この例では、受信アンテナ１２−１〜１２−Ｎの横方向の間隔Ｐを８．５ｍｍとした。
受信特性２０３１は、ホーン３３の寸法を、横方向の開口幅Ａ＝８ｍｍ、開口面の縦幅Ｂ＝４ｍｍ、奥行きＨ＝６ｍｍ、底部の横方向の幅Ｆ＝７．６ｍｍとした場合の設計例である。
送信特性２０３２は、ホーン５１の寸法を、横方向の開口幅Ｃ＝１７ｍｍ、開口面の縦幅Ｂ’＝４ｍｍ、奥行きＨ’＝１８ｍｍ、底部の横方向の幅Ｆ’＝６．８ｍｍとした場合の設計例である。

レーダ指向特性２０３３は、受信特性２０３１と送信特性２０３２を掛け合わせたものである。
この場合、グレーティングローブは１７°以上の角度方向に現れるが、この領域でも−３０ｄＢ以下の低サイドローブ特性が得られている。
本実施形態では、受信アンテナ１２−１〜１２−Ｎのホーン３３の横方向の開口幅Ａは受信アンテナ１２−１〜１２−Ｎの横方向の間隔Ｐに応じて広げることができるため、より高利得が得られ、ヌル点も内側に作ることができる。また、送信アンテナ１１のホーン５１は、横方向の開口幅Ｃ、奥行きＨ’の寸法を３ｍｍ程度増すだけで、所期の特性が得られている。

＜他の構成の説明＞
次に、横方向以外のサイドローブ特性について説明する。
特許文献２等に、斜め方向への不要放射について示されている。
従来のスロットアレーでは、格子状配置の対角方向にも周期配列となるため、スロット間隔が広くなるとアレーのグレーティングローブが現れることになる。

一方、本実施形態の構造では、斜め方向の配列は無いため、これは生じない。
しかしながら、縦方向のホーン間隔は１λより大きいため、仰角方向にはアレーのグレーティングローブが現れる。その出現角度は、縦方向のホーン間隔をＱとして、ｓｉｎ^−１［λ／Ｑ］で与えられ、Ｑ＝４．６７ｍｍである場合には５７°となる。この方向では、ホーン自体の指向性減衰によりグレーティングローブのレベルは−１５〜−２０ｄＢに抑えられ、主ビームの利得を低下させるような劣化は生じない。

だが、受信／送信でグレーティングローブの出現角度を違えることにより、これらを重畳させない方が更に望ましい。主ビーム幅が４°程度である場合は、アンテナの縦方向の間隔（ホーン、スロットの縦方向の間隔）Ｑｒ、Ｑｔを５％程度違えれば、レーダ指向性としては−４０ｄＢ以下に抑えることができる。

ここで、ホーンの縦方向の間隔Ｑｒ、Ｑｔを小さくする方がグレーティングローブが低くなり、縦方向の間隔Ｑｒ、Ｑｔを詰めてその分ホーンの数を増す方が設計上望ましい。このためには、導波管の横幅（図３の例では、長辺幅Ｗａ）を広く選ぶ必要がある。
なお、この横幅（図３の例では、長辺幅Ｗａ）が１λ以上になると不要高次モードが伝送できるため通常は用いられないが、本実施形態では、左右対称構造であるためＴＥ２０モードは発生しない。
但し、導波管内ではＴＥ３０モードは遮断する必要がある。従って、本実施形態では、導波管の横幅（図３の例では、長辺幅Ｗａ）を１λ以上１．５λ未満で選ぶことができる。

図１４は、本発明の実施形態に係る車載用のレーダ装置に設けられたアンテナ装置（レーダアンテナ１）の仰角方向の放射指向特性（アンテナ特性）の設計例を示す図である。横軸は仰角η（度）を表しており、縦軸は相対レベル（ｄＢ）を表している。
送信特性２０４１と、受信特性２０４２と、送信特性２０４１と受信特性２０４２を掛け合わせたものであるレーダ指向特性２０４３を示してある。

ここで、送信特性２０４１は、アンテナ間隔（アンテナ間隔Ｐに対応するもの）＝４．６７ｍｍ、導波管の横幅（長辺幅Ｗａに対応するもの）＝３．６ｍｍ、縦方向のホーン間隔Ｑｔ＝４．６７ｍｍである場合である。
また、受信特性２０４２は、アンテナ間隔Ｐ＝４．３５ｍｍ、導波管の横幅（長辺幅）Ｗａ＝４．５ｍｍ、縦方向のホーン間隔Ｑｒ＝４．３５ｍｍである場合である。

＜ＤＢＦパターンの例＞
図１５は、ＤＢＦパターンの例を示す図である。横軸は角度（度）を表しており、縦軸はレベルを表している。
図１５に示すように、様々な特性からなるＤＢＦパターン４００１が得られる。
具体的には、角度が０度（正面方向）に対応した特性４０１１を中心として、中心から角度を次第にずらした複数の特性４０１２、４０１３、・・・、４０１８、４０１９、４０２０、・・・、４０２５、４０２６を示してある。

＜以上に示した実施形態のまとめ＞
ここで、他に導波管スロットアレーにホーンを付加するものとして、例えば特許文献３等に示される構造がある。
これは、導波管の長さ方向を横方向に配して横方向に狭俊なビームを作り、アンテナ全体を回転して走査を行うものであり、船舶レーダなどで主にＳ帯やＸ帯などのマイクロ波帯で用いられるため、実寸法は大きく、用途上軽量が求められる。このため、導波管素管にホーン板を板金溶接等で取り付けるような構造が適しており、各々のスロットに角錐ホーンを付加するのは製造が複雑になり、重量も大幅に増加する。

これに比べて、本実施形態に係る車載用のレーダ装置に設けられたアンテナ装置（レーダアンテナ１）は、実寸法は小さく、また、多数のアンテナを配するため、例えば、ダイキャスト等による一体製造が望ましい。

ここで、本実施形態に係る車載用のレーダ装置に設けられたアンテナ装置（レーダアンテナ１）の配置において、横方向の壁面が無いとすれば、導波管部に金属肉の薄い部分が生じ、ホーン部の肉の厚い部分とが繰り返し隣り合うため製作上で反りなどが生じ易くなる。このような壁面を設けることで、金属肉の薄い部分を無くし、また、梁の機能を持たせることにより、図２に示す一体製造に適した構造が可能になる。
また、電気性能上でも、角錐のホーン３３、５１により、開口面に平面波の電界分布が作られ、高利得が得られる。
また、四面を囲うことによって、導波管の境界条件が定まり、所要の高次モードを制御することができる。

以上のように、本実施形態に係る車載用のレーダ装置に設けられたアンテナ装置（レーダアンテナ１）は、例えば、ＤＢＦ走査のミリ波車載レーダに用いられ、複数列の受信アンテナ１２−１〜１２−Ｎと少なくとも１列の送信アンテナ１１が横方向に並べて設置される。また、受信アンテナ１２−１〜１２−Ｎは約２λの横幅（開口幅）Ａであり、送信アンテナ１１は一例として３λ以上の横幅Ｃである。
また、各アンテナ１１、１２−１〜１２−Ｎは、縦方向に長い一本の矩形導波管３１の長辺面に、導波管断面の長辺方向に長い矩形のスロット３２を概ね１λｇの間隔Ｑで多数設ける。また、各々のスロット３２に、段付きの角錐のホーン３３が装加される。
段付きの角錐のホーン３３は、スロット３２側の底部が導波管の長辺方向に１．５λ以上の横幅（底部の幅Ｆ）を持ち、スロット３２の長辺寸法から段状に不連続に広げられた形状を有する。

本実施形態に係る車載用のレーダ装置に設けられたアンテナ装置（レーダアンテナ１）は、一例として、受信或いは送信の少なくとも一方のアンテナの矩形導波管３１の長辺幅Ｗａが１λ以上１．５λ未満である。

本実施形態に係る車載用のレーダ装置に設けられたアンテナ装置（レーダアンテナ１）は、例えば、アンテナ間の漏れ込みを確実に塞ぐことにより混信によるレーダ検知性能の低下を防ぎ、また、広角度範囲で低サイドローブ特性が得られるため、ＤＢＦのグレーティングローブによる誤検知を解消することができる

ここで、本実施形態では、車載用のレーダ装置に設けられたアンテナ装置（レーダアンテナ１）を、ＤＢＦを行うレーダに適用する場合を示したが、ＤＢＦ以外のものに適用されてもよい。
また、本実施形態で示したようなアンテナ装置を車載用のレーダ装置以外の任意の装置に適用することも可能である。

また、受信アンテナ１２−１〜１２−Ｎの複数の列数（Ｎ）は、任意の値が用いられてもよい。
また、本実施形態では、送信アンテナ１１が１列である場合を示したが、他の例として、複数列の送信アンテナを備える構成が用いられてもよい。
また、１列分の受信アンテナ１２−１〜１２−Ｎや１列分の送信アンテナ１１におけるアンテナ素子の行数（縦方向のホーンの並びの数）は、任意の数が用いられてもよい。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１…レーダアンテナ １１…送信アンテナ １２−１〜１２−Ｎ…受信アンテナ
２１…アンテナ板 ２２…金属プレート ２３…タップ穴 ２４…チョーク溝
２５…ボルト ３１…矩形導波管 ３２…スロット ３３…ホーン ３４…導波管溝
３５…隔壁 ５１…ホーン

Claims (10)

1. 複数のアンテナ素子が縦方向に並べられて構成されるアンテナを、前記縦方向と交差する横方向に複数並べて構成され、
   使用周波数の自由空間波長λに対して、前記横方向に複数並べられる前記アンテナの間隔が約２λであり、
   前記複数のアンテナ素子のそれぞれにホーンが設けられた、
   ことを特徴とする車載用のレーダ装置で用いられるアンテナ装置。
2. 前記ホーンは、導波管に設けられたスロットの長辺寸法から段状に不連続に広げられた形状を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記ホーンは、導波管に設けられたスロットの長辺寸法から１段だけ段状に不連続に広げられた形状を有し、その形状が角錐である、
   ことを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記ホーンのスロット側の底部の横方向の幅が１．５λ以上である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
5. 導波管の長辺幅が１λ未満である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
6. 導波管の長辺幅が１λ以上１．５λ未満である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
7. 前記アンテナは受信アンテナである、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
8. 前記アンテナは送信アンテナである、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
9. １列以上の送信アンテナと複数列の受信アンテナを横方向に並べて備え、
   前記送信アンテナは、複数のアンテナ素子が前記横方向と交差する縦方向に並べられて構成され、前記複数のアンテナ素子のそれぞれにホーンが設けられ、
   前記受信アンテナは、複数のアンテナ素子が縦方向に並べられて構成され、前記複数のアンテナ素子のそれぞれにホーンが設けられ、
   使用周波数の自由空間波長λに対して、前記横方向に複数並べられる前記受信アンテナの間隔が約２λである、
   ことを特徴とする車載用のレーダ装置で用いられるアンテナ装置。
10. 前記送信アンテナと前記受信アンテナとで形状が異なる、
    ことを特徴とする請求項９に記載のアンテナ装置。

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