JP2014190720A - レーダ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】給電損失を低減でき、マイクロストリップ線路からの不要放射を低減できるレーダ装置を得ること。
【解決手段】レーダ装置は、回路部品が実装される部品実装面と、前記部品実装面の反対側に配されたアンテナ面とを有する多層樹脂基板を有するレーダ装置であって、前記部品実装面から前記アンテナ面に近づくように延びた第1の導波管と、前記第1の導波管から前記アンテナ面に近づくようにそれぞれ延びた複数のスルーホール導体を有する第2の導波管と、前記アンテナ面に形成された複数のマイクロストリップアンテナと、前記アンテナ面上で前記複数のマイクロストリップアンテナに電気的に接続された複数の変換器と、前記第2の導波管及び前記複数の変換器を電磁気的に結合する複数の結合スロットとを備える。
【選択図】図3

Description

本発明は、レーダ装置に関する。
車載ミリ波レーダに採用されているレーダ方式の一つとしてFM−CW(Frequency Modulation−Continuous Wave)方式がある。この方式のレーダ装置は、送信アンテナと受信アンテナを別個に備え、動作中は送信と受信を同時に行い、目標からの反射波を受信して処理することで、目標までの距離や目標の移動速度を検出するものである。
レーダ装置では、小形、低コスト化のため、多層樹脂基板の一方の面(部品実装面)に回路部品が実装され、もう一方の面(アンテナ面)に送信アンテナ及び受信アンテナが形成される。アンテナ方式としては、樹脂基板上に形成するため、マイクロストリップアンテナからなるアレーアンテナ方式が多い。この構成においては、部品実装面とアンテナ面との間でミリ波信号の伝送が必要であり、伝送線路として樹脂基板にスルーホールで形成した同軸線路や導波管が一般に用いられる。特にミリ波帯では波長が短いため、小形かつ低損失にできる導波管の採用が多い。この場合、アンテナ面上に導波管/マイクロストリップ線路変換器を設け、ここからマイクロストリップ線路による分配/合成機能を有する給電回路を構成し、アレーアンテナを構成するパッチ素子アンテナに接続する構成が一般的である。
特許文献1には、車載ミリ波レーダの受信系において、樹脂基板のアンテナ実装面上で受信アンテナの給電点の直近にミキサをフリップチップ実装することが記載されている。これにより、特許文献1によれば、受信されたミリ波信号のミキサまでの伝送路引き回しを最小限の長さに抑えることができるとされている。
特開2010−273049号公報
特許文献1に記載の技術では、送信アンテナにおいて、樹脂基板のアンテナ実装面上で、給電線路(マイクロストリップ線路)に多数のパッチ素子を取り付け、送信アンテナの給電点を給電線路(マイクロストリップ線路)のほぼ中央に1つだけ設けるとともに導波管マイクロストリップ線路変換器に接続した構成になっている。このような給電回路では、導波管マイクロストリップ線路変換器からパッチ素子へのマイクロストリップ線路が長くなる傾向にある。マイクロストリップ線路は、ミリ波帯のような高周波帯においては線路損失が大きく、また線路からの不要放射が大きいという特性を示すため、特許文献1に記載の構成では、給電損失が大きく、マイクロストリップ線路からの不要放射も大きくなる可能性がある。給電損失が大きくなると、アンテナ電力利得の低下を招き、また、不要放射が大きくなると、サイドローブ上昇などのアンテナ放射特性劣化や送受信アンテナ間アイソレーションの低下を招くため、特許文献1に記載の構成では、レーダ性能が劣化する可能性がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、給電損失を低減でき、マイクロストリップ線路からの不要放射を低減できるレーダ装置を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の1つの側面にかかるレーダ装置は、回路部品が実装される部品実装面と、前記部品実装面の反対側に配されたアンテナ面とを有する多層樹脂基板を有するレーダ装置であって、前記部品実装面から前記アンテナ面に近づくように延びた第1の導波管と、前記第1の導波管から前記アンテナ面に近づくようにそれぞれ延びた複数のスルーホール導体を有する第2の導波管と、前記アンテナ面に形成された複数のマイクロストリップアンテナと、前記アンテナ面上で前記複数のマイクロストリップアンテナに電気的に接続された複数の変換器と、前記第2の導波管及び前記複数の変換器を電磁気的に結合する複数の結合スロットとを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、アンテナ面上におけるマイクロストリップ線路の長さを短縮でき、部品実装面(デバイス基板)からマイクロストリップアンテナまでの給電経路におけるマイクロストリップ線路の長さの割合を低減できる。すなわち、第1の導波管や第2の導波管による導波管給電線路はマイクロストリップ線路より低損失であるため、全体として給電損失を小さくできる。また、導波管給電線路は不要放射が無いため、アンテナ放射特性の劣化低減や送受信アンテナ間アイソレーションの向上が可能となる。すなわち、給電損失を低減でき、マイクロストリップ線路からの不要放射を低減できる。
図1は、実施の形態1にかかるレーダ装置のアンテナ面の構成を示す図である。 図2は、実施の形態1にかかるレーダ装置のアンテナ基板の下層の構成を示す図である。 図3は、実施の形態1におけるレーダ装置の構成を示す断面図である。 図4は、実施の形態2にかかるレーダ装置のアンテナ面の構成を示す図である。 図5は、実施の形態2にかかるレーダ装置のアンテナ基板の下層の構成を示す図である。 図6は、実施の形態2におけるレーダ装置の構成を示す断面図である。 図7は、比較例にかかるレーダ装置のアンテナ面の構成を示す図である。
以下に、本発明にかかるレーダ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
実施の形態1にかかるレーダ装置1について図1〜図3を用いて説明する。
レーダ装置1は、例えば、車載ミリ波レーダとして用いられ、FM−CW(Frequency Modulation−Continuous Wave)方式を採用している。レーダ装置1は、送信アンテナ70と受信アンテナ80とを別個に備え(図1参照)、動作中に例えば送信と受信とを同時に行い、目標からの反射波を受信して処理することで、目標までの距離や目標の移動速度を検出する。
レーダ装置1では、小型、低コスト化のため、多層樹脂基板10の一方の面に回路部品を実装し、もう一方の面にアンテナを形成する。多層樹脂基板10は、例えば、複数の樹脂基板11〜15が順に積層されたものであり、部品が実装されるための部品実装面10aとアンテナ(送信アンテナ70及び受信アンテナ80)が配されるためのアンテナ面10bとを有する(図3参照)。複数の樹脂基板11〜15のうち、樹脂基板15は、送信アンテナ70と受信アンテナ80とが形成される点で多層樹脂基板10における他の樹脂基板11〜14と異なるので、以下では、特にアンテナ基板15と呼ぶことにする。
多層樹脂基板10の部品実装面10a上には、例えば送受信デバイス基板20が複数のはんだボールSBを介したBGA(Ball Grid Array)実装などの実装方式で実装されている(図3参照)。送受信デバイス基板20の部品実装面20aには、金属膜21が配され、金属膜21上に回路部品がフリップチップ実装などの実装方式で実装されている。回路部品は、例えば、MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)であり、送信回路(図示せず)や受信回路(図示せず)を含む。すなわち、多層樹脂基板10の部品実装面10a上には、送受信デバイス基板20を介して複数の回路部品が搭載されている。
なお、図1は、レーダ装置1をアンテナ面10bに垂直な方向から見た場合の構成を示す図である。図2は、レーダ装置1からアンテナ基板15を取り除いた場合のアンテナ基板15の下層の表面を部品実装面10aに垂直な方向から見た場合の構成を示す図である。図3は、図2のA−A線に沿って切った場合の構成を示す図である。なお、図3では、アンテナ基板15を取り除く前におけるアンテナ基板15の配置を破線で示している。
レーダ装置1では、図1に示すように、アンテナ基板15のアンテナ面10b上に送信アンテナ70及び受信アンテナ80が形成される。すなわち、レーダ装置1では、アンテナ方式として、マイクロストリップアンテナMSA−11〜MSA−82からなるアレーアンテナ方式を採用している。例えば、図1では、送信4ch、受信4chの構成を例示している。このレーダ装置1においては、部品実装面10a側とアンテナ面10b側との間で例えばミリ波等の信号の伝送が必要である。このため、多層樹脂基板10内には、伝送線路として、第1の導波管40(図2、図3参照)及び第2の導波管30を形成している。例えば、ミリ波帯では波長が短いため、伝送線路として、小型且つ低損失にできる第1の導波管40及び第2の導波管30が有利である。
具体的には、レーダ装置1には、例えば送信アンテナ70用の構成として、第1の導波管40及び第2の導波管30が設けられている。第1の導波管40は、キャビティを用いるタイプの導波管であり、第2の導波管30は、複数のスルーホール導体を用いるタイプの導波管である。
具体的には、第1の導波管40は、部品実装面10aからアンテナ面10bに近づくように延びている。第1の導波管40は、アンテナ面10bに略垂直な方向に多層樹脂基板10内を延びている。例えば、第1の導波管40は、キャビティ10hを有する。キャビティ10hは、多層樹脂基板10における複数の樹脂基板11〜13が刳り貫かれて形成されたものである(図3参照)。例えば、キャビティ10hは、樹脂基板11の樹脂層11a、樹脂基板11の導電層11b、樹脂基板12の樹脂層12a、樹脂基板12の導電層12b、樹脂基板13の樹脂層13a、樹脂基板13の導電層13bが順次に刳り貫かれて、樹脂基板14の樹脂層14aが露出する位置まで延びている。
第2の導波管30は、第1の導波管40及びアンテナ面10bの間に配されている。例えば、第2の導波管30は、複数のスルーホール導体TH−1〜TH−kを有する。各スルーホール導体TH−1〜TH−kは、第1の導波管40からアンテナ面10bに近づくように延びている。複数のスルーホール導体TH−1〜TH−kは、第1の導波管40及びアンテナ面10bの間においてアンテナ面10bに沿った方向に配列されている。各スルーホール導体TH−1〜TH−kは、例えば、樹脂基板13の導電層13bと樹脂基板14の導電層14bとを電気的に接続するように、樹脂基板14の樹脂層14aを貫通している。
例えば、図1に示すように、アンテナ基板15は、そのアンテナ面10b上に、導波管−マイクロストリップ線路変換器90−1〜90−8、マイクロストリップ線路MSL−11〜MSL−82、及びマイクロストリップアンテナMSA−11〜MSA−82が配されている。導波管−マイクロストリップ線路変換器90−1〜90−8には、マイクロストリップ線路MSL−11〜MSL−82を介してマイクロストリップアンテナMSA−11〜MSA−82が接続されている。
すなわち、複数のマイクロストリップアンテナMSA−11〜MSA−42は、送信アンテナ70を構成し、複数のマイクロストリップ線路MSL−11〜MSL−42を介して複数の導波管−マイクロストリップ線路変換器90−1〜90−4に接続されている。複数の導波管−マイクロストリップ線路変換器90−1〜90−4及び複数のマイクロストリップ線路MSL−11〜MSL−42は、複数のマイクロストリップアンテナMSA−11〜MSA−42に給電するための給電回路として機能する。
また、複数のマイクロストリップアンテナMSA−51〜MSA−82は、受信アンテナ80を構成し、複数のマイクロストリップ線路MSL−51〜MSL−82を介して複数の導波管−マイクロストリップ線路変換器90−5〜90−8に接続されている。複数の導波管−マイクロストリップ線路変換器90−5〜90−8及び複数のマイクロストリップ線路MSL−51〜MSL−82は、複数のマイクロストリップアンテナMSA−51〜MSA−82から受電するための受電回路として機能する。
アンテナ基板15は、多層樹脂基板10における他の樹脂基板11〜14と接着剤による接着で一体化されており、その裏面に接触された導電層14bがグランド面(グランド電位の面)となる。この導電層14bには、導波管−マイクロストリップ線路変換器90の裏面に対応する部分が開口されて結合スロット(金属膜除去部)60が複数設けられている。すなわち、複数の結合スロット60−1〜60−4は、複数の導波管−マイクロストリップ線路変換器90−1〜90−4に対応して設けられている。これにより、第2の導波管30と複数の導波管−マイクロストリップ線路変換器90−1〜90−4とを電磁気的に結合するので、第2の導波管30とマイクロストリップ線路MSL−11〜MSL−42との間でミリ波の授受が可能になる。
このとき、第2の導波管30における複数のスルーホール導体TH−1〜TH−kは、アンテナ面10bに垂直な方向から透視した場合に、複数の結合スロット60−1〜60−4を内側に含むとともに、第1の導波管40を内側に含む。これにより、第2の導波管30は、第1の導波管40から伝送された電磁波を複数の結合スロット60−1〜60−4に分配して伝送でき、伝送時における給電損失を効率的に低減できる。
また、各結合スロット60−1〜60−4は、アンテナ面10bに垂直な方向から透視した場合に、第1の導波管40の長手方向に沿って延びている。これにより、アンテナ面10bに垂直な方向から透視した場合における第1の導波管40の配置位置を、複数の結合スロット60−1〜60−4の配置の中心近傍にすることが容易である。第1の導波管40の配置位置を複数の結合スロット60−1〜60−4の配置の中心近傍にする場合、第1の導波管40から伝送された電磁波を複数の結合スロット60−1〜60−4にバランス良く分配できる。
次に、レーダ装置1の動作について説明する。
送受信デバイス基板20で生成された送信信号は、多層樹脂基板10内に基板面と略垂直に設けた第1の導波管(給電導波管)40に伝送する。本実施の形態では、この送信信号をいったんスルーホール導体TH−1〜TH−kで形成した樹脂基板14内の第2の導波管(給電導波管、スルーホール導波管)30に伝送する。第2の導波管30は、送信アンテナの導波管−マイクロストリップ線路変換器90−1〜90−4の下層にあり、その下層から結合スロット60−1〜60−4を介して、アンテナ基板15の導波管−マイクロストリップ線路変換器90−1〜90−4に送信信号を伝送する。
なお、実施の形態1では、結合スロット60−1〜60−4を第2の導波管(スルーホール導波管)30の信号伝送方向と略直角の向きに設定した例を示している。例えば、図2に示すように、第1の導波管40から各結合スロット60−1〜60−4へ向かう方向に対して、各結合スロット60−1〜60−4の延在方向は略直角である。この構成により、スロットの寸法を調整することで結合量を容易に調整できる。
ここで、仮に、図7に示すように、送信アンテナ970において導波管−マイクロストリップ線路変換器990を複数のマイクロストリップ線路MSL−911〜MSL−942のほぼ中央に1つだけ設けている場合を考える。すなわち、複数のマイクロストリップアンテナMSA−911〜MSA−942は、複数のマイクロストリップ線路MSL−911〜MSL−942を介して導波管−マイクロストリップ線路変換器990に接続されている。この場合、導波管−マイクロストリップ線路変換器990からマイクロストリップアンテナMSA−911〜MSA−942へのマイクロストリップ線路MSL−911〜MSL−942がそれぞれ長くなる傾向にある。マイクロストリップ線路は、ミリ波帯のような高周波帯においては線路損失が大きく、また線路からの不要放射が大きいという特性を示すため、図7に示す構成では、給電損失が大きく、マイクロストリップ線路からの不要放射も大きくなる可能性がある。給電損失が大きくなると、アンテナ電力利得の低下を招き、また、不要放射が大きくなると、サイドローブ上昇などのアンテナ放射特性劣化や送受信アンテナ間アイソレーションの低下を招くため、図7に示す構成では、レーダ性能が劣化する可能性がある。
それに対して、実施の形態1では、レーダ装置1において、第1の導波管40が、部品実装面10aからアンテナ面10bに近づくように延びている。第2の導波管30は、第1の導波管40からアンテナ面10bに近づくようにそれぞれ延びた複数のスルーホール導体TH−1〜TH−kを有する。複数のマイクロストリップアンテナMSA−11〜MSA−42は、アンテナ面10bに形成されている。複数の導波管−マイクロストリップ線路変換器90−1〜90−4は、複数のマイクロストリップアンテナMSA−11〜MSA−42に電気的に接続されている。複数の結合スロット60−1〜60−4は、第2の導波管30及び複数の導波管−マイクロストリップ線路変換器90−1〜90−4を電磁気的に結合する。これにより、アンテナ面10b上におけるマイクロストリップ線路MSL−11〜MSL−42の長さを短縮でき、部品実装面10a(送受信デバイス基板20)からマイクロストリップアンテナMSA−11〜MSA−42までの給電経路におけるマイクロストリップ線路MSL−11〜MSL−42の長さの割合を低減できる。すなわち、第1の導波管40や第2の導波管30による導波管給電線路はマイクロストリップ線路より低損失であるため、全体として給電損失を小さくできる。また、導波管給電線路は不要放射が無いため、アンテナ放射特性の劣化低減や送受信アンテナ間アイソレーションの向上が可能となる。すなわち、給電損失を低減でき、マイクロストリップ線路からの不要放射を低減できる。
なお、本実施の形態では、受信アンテナ80が一列のアレーアンテナであるためスペース上の制約を考え、比較例と同じ構成としているが、受信アンテナを送信アンテナと同様に複数列のアレーアンテナとするならば、送信アンテナと同じ構成にして同様の効果を得ることができる。
実施の形態2.
実施の形態2にかかるレーダ装置100について説明する。以下では、実施の形態1と異なる部分を中心に説明する。
実施の形態1では、結合スロット60−1〜60−4を第2の導波管(スルーホール導波管)30の信号伝送方向と略直角の向きに設定した例を示しているが、実施の形態2では、結合スロット160−1〜160−8を信号伝送方向と平行の向きに設定している。
具体的には、レーダ装置100は、図4〜図6に示すように構成されている。図4は、レーダ装置100をアンテナ面10bに垂直な方向から見た場合の構成を示す図である。図5は、レーダ装置100からアンテナ基板15を取り除いた場合のアンテナ基板15の下層の表面を部品実装面10aに垂直な方向から見た場合の構成を示す図である。図6は、図5のB−B線に沿って切った場合の構成を示す図である。なお、図6では、アンテナ基板15を取り除く前におけるアンテナ基板15の配置を破線で示している。
レーダ装置100において、複数の結合スロット160−1〜160−8のそれぞれは、アンテナ面10bに垂直な方向から透視した場合に、第1の導波管40の短手方向に沿って延びている。この構成では、結合スロット160−1〜160−8の長手方向が第2の導波管(スルーホール導波管)30の信号伝送方向と略平行の向きに設定される。例えば、図5及び図6に示すように、第1の導波管40から各結合スロット160−1〜160−8へ向かう方向に対して、各結合スロット160−1〜160−8の延在方向は略平行である。この構成により、第2の導波管(スルーホール導波管)30の中心線に対する結合スロット160−1〜160−8のオフセット量を調整することで、結合量を調整することができる。例えば、図5は、導波管(スルーホール導波管)30の中心線に対して、結合スロット160−1〜160−8を、左のスルーホール列側にずらした例を示している。あるいは、例えば、図示しないが、導波管(スルーホール導波管)30の中心線に対して、結合スロット160−1〜160−8を、右のスルーホール列側にずらしても良い。
このように結合スロット160−1〜160−8を構成したことに応じて、図4、図5に示すように、アンテナ面10b上において、各導波管−マイクロストリップ線路変換器190−1〜190−8は、送信アンテナ170の中央線上に配置されることになる。このため、送信アンテナ170の開口分布設定の自由度が実施の形態1より小さくなるが、実施の形態1に比べて、給電線路であるマイクロストリップ線路MSL−111〜MSL−142の長さはさらに短縮できる。
以上のように、実施の形態2では、レーダ装置100において、複数の結合スロット160−1〜160−8のそれぞれは、アンテナ面10bに垂直な方向から透視した場合に、第1の導波管40の短手方向に沿って延びている。これにより、各導波管−マイクロストリップ線路変換器190−1〜190−8を送信アンテナ170の中央線上に配置でき、給電線路であるマイクロストリップ線路MSL−111〜MSL−142の長さをさらに短縮できる。
以上のように、本発明にかかるレーダ装置は、信号の送信等に有用である。
1,100 レーダ装置、30 第2の導波管、40 第1の導波管、60,160 結合スロット、90,190 導波管−マイクロストリップ線路変換器。

Claims (5)

  1. 回路部品が実装される部品実装面と、前記部品実装面の反対側に配されたアンテナ面とを有する多層樹脂基板を有するレーダ装置であって、
    前記部品実装面から前記アンテナ面に近づくように延びた第1の導波管と、
    前記第1の導波管から前記アンテナ面に近づくようにそれぞれ延びた複数のスルーホール導体を有する第2の導波管と、
    前記アンテナ面に形成された複数のマイクロストリップアンテナと、
    前記アンテナ面上で前記複数のマイクロストリップアンテナに電気的に接続された複数の変換器と、
    前記第2の導波管及び前記複数の変換器を電磁気的に結合する複数の結合スロットと、
    を備えたことを特徴とするレーダ装置。
  2. 前記第1の導波管は、前記アンテナ面に略垂直な方向に前記多層樹脂基板内を延びており、
    前記複数のスルーホール導体は、前記第1の導波管及び前記アンテナ面の間において前記アンテナ面に沿った方向に配列されている
    ことを特徴とする請求項1に記載のレーダ装置。
  3. 前記複数のスルーホール導体は、前記アンテナ面に垂直な方向から透視した場合に、前記複数の結合スロットを内側に含む
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載のレーダ装置。
  4. 前記複数の結合スロットのそれぞれは、前記アンテナ面に垂直な方向から透視した場合に、前記第1の導波管の長手方向に沿って延びている
    ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のレーダ装置。
  5. 前記複数の結合スロットのそれぞれは、前記アンテナ面に垂直な方向から透視した場合に、前記第1の導波管の短手方向に沿って延びている
    ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のレーダ装置。
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