JP2015141041A

JP2015141041A - アンテナ装置

Info

Publication number: JP2015141041A
Application number: JP2014012557A
Authority: JP
Inventors: 重雄宇田川; Shigeo Udagawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-01-27
Filing date: 2014-01-27
Publication date: 2015-08-03

Abstract

【課題】１本のビームを二次元的に走査して目標物の上下左右の方向を短時間で検出可能なアンテナ装置を得ること。
【解決手段】複数の素子アンテナ１１からなるアレーアンテナである、固定ビームの送信アンテナ１と、複数の素子アンテナ２２からなる受信サブアレーアンテナ２１を平面上に複数配置し、電子的にビーム走査可能な受信アンテナ２と、複数の受信サブアレーアンテナ２１からの受信信号と発振器３からのローカル信号とを用いてビート信号を得るミキサ部４と、ビート信号をディジタル・ビーム・フォーミング処理する信号処理部５と、を備え、送信アンテナ１の素子アンテナ数および受信サブアレーアンテナ２１の素子アンテナ数の比を、縦方向、横方向とも２：１とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナ装置に関する。

自動車衝突防止用レーダは、自動車に搭載されるレーダであり、目標物（前方を走行する自動車等）の距離、方向、相対速度を検出するために利用される。周波数は主にミリ波帯の電波が使用される。送信アンテナと受信アンテナは別個に設けられ、送信アンテナは所定範囲を照射する固定ビームとし、受信アンテナはディジタル・ビーム・フォーミング処理（ＤＢＦ処理）により電子的にビーム走査が行われる。受信ビームを左右に走査することによって目標物の左右の方向（角度）を検出し、目標物が自車と同じ車線に存在するのか、あるいは別の車線に存在するのかを識別する。

しかしながら、受信ビームを左右に走査するだけでは目標物の上下の方向（角度）を検出できない。例えば、前方を走行する自動車と歩道橋を区別できないため、受信ビームは上下にも走査できることが望ましい。このような要請に応えるため、下記特許文献１では、図７に示すアンテナ装置において、左右方向に配列された第１の受信サブアレーアンテナ群によって左右に走査される第１ビームを形成し、上下方向に配列された第２の受信サブアレーアンテナ群によって上下に走査される第２ビームを形成し、これら２本のビームを用いて目標物の上下左右の方向を検出する技術が開示されている。

特開平１１−２８７８５７号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、２本のビームを使用するため、第１ビームで検出した目標物と、第２ビームで検出した目標物の距離、相対速度、受信強度を比較し、同一の目標物であるか否かを判定する処理（同定処理）が必要になる。そのため、信号処理の負荷が増大する、という問題があった。また、第１ビームは上下・左右ともビーム幅の狭い高利得なビーム（ペンシルビーム）となるが、第２ビームは上下のビーム幅は狭いが左右のビーム幅が広い低利得なビーム（ファンビーム）となり、２本のビームに利得差がある。そのため、同定処理が困難になり、処理時間が非常に増加する場合があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、１本のビームを二次元的に走査して目標物の上下左右の方向を短時間で検出可能なアンテナ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、本発明は、複数の素子アンテナからなるアレーアンテナである、固定ビームの送信アンテナと、複数の素子アンテナからなる受信サブアレーアンテナを平面上に複数配置し、電子的にビーム走査可能な受信アンテナと、前記複数の受信サブアレーアンテナからの受信信号と発振器からのローカル信号とを用いてビート信号を得るミキサ部と、前記ビート信号をディジタル・ビーム・フォーミング処理する信号処理部と、を備え、前記送信アンテナの素子アンテナ数および前記受信サブアレーアンテナの素子アンテナ数の比を、縦方向、横方向とも２：１とすることを特徴とする。

本発明によれば、１本のビームを二次元的に走査して目標物の上下左右の方向を短時間で検出できる、という効果を奏する。

図１は、アンテナ装置の構成例を示す図である。図２は、アンテナ装置の水平面放射パターンの一例を示す計算値の図である。図３は、アンテナ装置の垂直面放射パターンの一例を示す計算値の図である。

以下に、本発明にかかるアンテナ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．
図１は、本実施の形態のアンテナ装置の構成例を示す図である。アンテナ装置は、送信アンテナ１と、受信アンテナ２と、発振器３と、ミキサ部４と、信号処理部５と、を備える。

送信アンテナ１は、複数の素子アンテナ１１からなるアレーアンテナである。素子アンテナ１１は、縦方向に８素子、横方向に４素子配列されている。

受信アンテナ２は、８個の受信サブアレーアンテナ２１を平面上に二次元的（上下左右）に配置したものである。各受信サブアレーアンテナ２１は、複数の素子アンテナ２２からなる。素子アンテナ２２は、各受信サブアレーアンテナ２１において、縦方向に４素子、横方向に２素子配列されている。

素子アンテナ１１と素子アンテナ２２は同種の素子アンテナであり、例えば、パッチアンテナが使用される。また、図示省略した給電線路により、素子アンテナ１１は、送信アンテナ１内で同位相となるように接続されており、素子アンテナ２２は、各受信サブアレーアンテナ２１内で同位相となるように接続されている。

つづいて、アンテナ装置において目標物を検出する動作について説明する。まず、発振器３は、ミリ波帯（例えば、７６〜７７ＧＨｚ）の送信信号を出力する。送信アンテナ１は、この送信信号を電磁波として放射する。放射された電磁波は目標物（前方を走行する自動車等）によって反射され、８個の受信サブアレーアンテナ２１は、反射された電磁波を受信する。ミキサ部４は、８個の受信サブアレーアンテナ２１からの８個の受信信号をダウンコンバートし、ビート信号（送信信号と受信信号との差信号）として信号処理部５へ出力する。信号処理部５は、ビート信号に対して高速フーリエ変換処理（ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理）およびディジタル・ビーム・フォーミング処理（ＤＢＦ処理）を施すことにより、目標物を検出する。

ここで、信号処理部５において、ＤＢＦ処理は、８個のビート信号を複素数で合成して受信ビームを形成する処理であり、合成時の位相を変化させることによって受信ビームを走査することができる。図１において、受信サブアレーアンテナ２１は二次元的に配置されているため、ＤＢＦ処理によって形成した受信ビームも二次元的（上下左右）に走査可能となり、目標物の上下左右の方向を検出できる。

具体的に、水平面の放射パターンについて説明する。図２は、アンテナ装置の水平面放射パターンの一例を示す計算値の図である。図２（Ａ）は送信アンテナ１の放射パターンを示し、図２（Ｂ）は受信アンテナ２の放射パターンを示し、図２（Ｃ）は図２（Ａ）および図２（Ｂ）を合成した送受積パターンを示す。ここでは、受信ビームを水平＋９度方向に走査した場合を示している。

図２（Ａ）の送信パターンは、０度方向（アンテナ装置の正面方向）を向いた固定ビームであり、サイドローブレベルは−２５ｄＢ以下となっている。図２（Ｂ）の受信パターンは、ＤＢＦ処理によって走査されるビームであり、＋９度で振幅が最大となっている。ＤＢＦ処理のｃｈ数を削減するため、受信アンテナ２を８個の受信サブアレーアンテナ２１で構成しているが、この構成に起因してグレーティングローブと呼ばれる比較的高いレベルのサイドローブが発生する。すなわち、図２（Ｂ）の受信パターンにおいて、−２８度に−８ｄＢ、＋６４度に−１３ｄＢのグレーティングローブが発生する。

しかし、図２（Ａ）の送信パターンは、±２８度、±４４度、±６８度にナル（振幅の落ち込み）を有しており、図２（Ｂ）の受信パターンのグレーティングローブを抑圧するように作用する。したがって、図２（Ｃ）の送受積パターンのサイドローブレベルは、−２６ｄＢ以下となり、低サイドローブ化された送受積パターンが得られる。

次に、垂直面の放射パターンについて説明する。図３は、アンテナ装置の垂直面放射パターンの一例を示す計算値の図である。図３（Ａ）は送信アンテナ１の放射パターンを示し、図３（Ｂ）は受信アンテナ２の放射パターンを示し、図３（Ｃ）は図３（Ａ）および図３（Ｂ）を合成した送受積パターンを示す。ここでは、受信ビームを垂直＋３度方向に走査した場合を示している。

図３（Ａ）の送信パターンは、０度方向（アンテナ装置の正面方向）を向いた固定ビームであり、サイドローブレベルは−１４ｄＢ以下となっている。図３（Ｂ）の受信パターンは、ＤＢＦ処理によって走査されるビームであり、＋３度で振幅が最大となっている。受信アンテナ２の構成に起因し、図３（Ｂ）の受信パターンにおいて、−１０度に−９ｄＢ、＋２０度に−１４ｄＢなど複数のグレーティングローブが発生する。

しかし、図３（Ａ）の送信パターンは、±１０度、±１６度、±２１度など複数のナルを有しており、図３（Ｂ）の受信パターンのグレーティングローブを抑圧するように作用する。したがって、図３（Ｃ）の送受積パターンのサイドローブレベルは、−２５ｄＢ以下となり、低サイドローブ化された送受積パターンが得られる。

なお、図２および図３における計算条件は、周波数７６．５ＧＨｚ、水平方向の素子間隔は送信、受信とも２．８ｍｍ（０．７波長）、垂直方向の素子間隔は送信、受信とも３．６ｍｍ（０．９波長）としている。また、受信パターンのグレーティングローブを送信パターンのナルが抑圧する関係となっているが、この関係は、送信アンテナ１と受信サブアレーアンテナ２１の素子アンテナ数の比を、縦方向、横方向とも２：１としたことによって得られている。

以上説明したように、本実施の形態によれば、アンテナ装置では、受信アンテナを８個の受信サブアレーアンテナで構成し、二次元的に配置した。これにより、少ない受信ｃｈ数で１本のビームを二次元的に走査することができ、目標物の上下左右の方向を短時間で検出することができる。また、受信アンテナの構成に起因して受信パターンにグレーティングローブが発生するが、これは送信パターンのナルによって抑圧されるため、虚像の発生を防止できる。

なお、受信サブアレーアンテナ２１の個数を８個としたが、これに限定するのではなく、１６個、３２個など任意の個数とすることができる。

また、送信アンテナ１の素子アンテナ１１の数を縦方向に８素子、横方向に４素子とし、受信サブアレーアンテナ２１の素子アンテナ２２の数を縦方向に４素子、横方向に２素子としたが、これに限定するものではない。ただし、送受積パターンのサイドローブレベルを抑圧するため、送信アンテナ１の素子アンテナ１１と受信サブアレーアンテナ２１の素子アンテナ２２の数の比は、縦方向、横方向とも２：１とすることが望ましい。

以上のように、本発明にかかるアンテナ装置は、二次元的にビーム走査を行うアンテナ装置に有用であり、特に、自動車衝突防止用レーダに適している。

１送信アンテナ、２受信アンテナ、３発振器、４ミキサ部、５信号処理部、１１素子アンテナ、２１受信サブアレーアンテナ、２２素子アンテナ。

Claims

複数の素子アンテナからなるアレーアンテナである、固定ビームの送信アンテナと、
複数の素子アンテナからなる受信サブアレーアンテナを平面上に複数配置し、電子的にビーム走査可能な受信アンテナと、
前記複数の受信サブアレーアンテナからの受信信号と発振器からのローカル信号とを用いてビート信号を得るミキサ部と、
前記ビート信号をディジタル・ビーム・フォーミング処理する信号処理部と、
を備え、
前記送信アンテナの素子アンテナ数および前記受信サブアレーアンテナの素子アンテナ数の比を、縦方向、横方向とも２：１とすることを特徴とするアンテナ装置。
前記受信アンテナにおいて、前記受信サブアレーアンテナを、上下方向および左右方向に２以上とし、二次元的に配置する、
ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
前記信号処理部は、水平面において送信アンテナのビーム方向からずらした位置で受信ビームの走査を行い、垂直面において送信アンテナのビーム方向からずらした位置で受信ビームの走査を行う、
ことを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ装置。