JP2019158542A - レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な方法によって給電線の特性を一定に保つことが可能なレーダ装置を提供すること。【解決手段】電波により物標を検出するレーダ装置１において、第１の方向に伸延する第１のガラス繊維と、第１の方向とは異なる第２の方向に伸延する第２のガラス繊維と、互いに織り込まれた回路基板１０と、回路基板１０上に並べて配置された複数のパッチアンテナ素子３１と、複数のパッチアンテナ素子３１を接続する給電線３２，３３と、を有し、給電線３２，３３は、第１および第２のガラス繊維の両方を少なくとも１以上跨ぐように形成された傾斜部を有する。これにより、給電線の特性を一定に保つことが可能となる。【選択図】図１

Description

本発明は、レーダ装置に関するものである。

近年、車両の周辺に存在する物標に電波を照射し、その反射波に基づいて物標を検出するレーダ装置が多く用いられるようになってきた。

このようなレーダ装置では、ガラス繊維を縦横方向に交差するように織って形成したガラスクロスを、例えば、エポキシ樹脂に封入して形成されるＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastic）回路基板が多く用いられている。このようなＧＦＲＰ回路基板は、機械的強度が高く、絶縁特性に優れるという特徴を有する。

図１１は、ＧＦＲＰ回路基板に封入されているガラスクロスを拡大して示した図である。ガラスクロスは、縦方向および横方向にガラス繊維が交差するように織って形成される。図１１の例では、縦方向（図１１の縦方向）の繊維の間隔（ピッチ）は、約０．５ｍｍとされている。

ところで、エポキシ樹脂の比誘電率は約３．３〜４．０であり、また、ガラスの比誘電率は約５．４〜９．９である。このため、図１２に示すように、ガラス繊維の直上に伝送路としての給電線Ａ１を形成する場合と、ガラス繊維の直上からずれた位置に伝送路としての給電線Ａ２を形成する場合とを比較すると、比誘電率が異なることから、給電線Ａ１，Ａ２の特性インピーダンス等が異なるため、伝送特性が同じでなくなるという問題点がある。

このような問題を解消するために、例えば、特許文献１に開示された技術が提案されている。特許文献１に開示された技術では、ガラスクロスと重複する位置にのみ給電線（配線パターン）を配置することで、前述した問題を解消している。

特開２０１１−８２２７１号公報

しかしながら、特許文献１に示す技術では、ガラスクロスを構成するガラス繊維の直上に給電線を形成する必要があることから、給電線を形成する際に高い精度が要求されるという問題がある。

本発明は、簡易な方法によって給電線の特性を一定に保つことが可能なレーダ装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、電波により物標を検出するレーダ装置において、第１の方向に伸延する第１のガラス繊維と、前記第１の方向とは異なる第２の方向に伸延する第２のガラス繊維と、が互いに織り込まれた回路基板と、前記回路基板上に並べて配置された複数のパッチアンテナ素子と、前記複数のパッチアンテナ素子を接続する給電線と、を有し、前記給電線は、前記第１および第２のガラス繊維の両方を少なくとも１以上跨ぐように形成された傾斜部を有する、ことを特徴とする。
このような構成によれば、簡易な方法によって給電線の特性を一定に保つことが可能となる。

また、本発明は、前記給電線を伝送される信号の波長をλとするとき、前記給電線は波長λに対応する長さにおいて、前記ガラス繊維を少なくとも１以上跨ぐように形成されていることを特徴とする。
このような構成によれば、扱う波長によらず、給電線の特性を一定に保つことが可能となる。

また、本発明は、前記傾斜部と、前記第１および第２の方向のいずれか一方とのなす角度が５度以上３０度以下であることを特徴とする。
このような構成によれば、給電線の特性を一定に保つことが可能となる。

また、本発明は、前記給電線は、前記第１および第２の方向に対し、第１の傾きを有する第１傾斜部と、前記第１の傾きと異なる第２の傾きを有する第２傾斜部と、を有することを特徴とする。
このような構成によれば、給電線の特性を一定に保つことが可能となる。

また、本発明は、前記複数のパッチアンテナ素子は受信アンテナを構成することを特徴とする。
このような構成によれば、受信アンテナを構成するパッチアンテナ素子の指向特性を一定に保つことができる。

また、本発明は、前記複数のパッチアンテナ素子によって構成される受信アンテナを複数有し、これら複数の受信アンテナによって受信される受信信号の位相差に基づいて前記物標の位置を検出することを特徴とする。
このような構成によれば、複数の受信アンテナの特性を一定に保つことで、物標の位置の検出誤差を低減することができる。

また、本発明は、前記給電線は、前記複数のパッチアンテナ素子が並ぶ方向に伸延する部分を有することを特徴とする。
このような構成によれば、アンテナの設計を容易にすることができる。

本発明によれば、簡易な方法によって給電線の特性を一定に保つことが可能なレーダ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レーダ装置のアンテナの構成例を示す図である。 本発明の実施形態に係るレーダ装置の電気的な構成例を示す図である。 従来のレーダ装置のアンテナの構成例を示す図である。 給電線の特性が一定である場合のアンテナの指向特性を示す図である。 給電線の特性が一定でない場合のアンテナの指向特性を示す図である。 本発明の原理を説明するための図である。 ガラス繊維と給電線との関係を示す図である。 本発明の他の構成例を示す図である。 本発明の他の構成例を示す図である。 本発明の他の構成例を示す図である。 ＧＦＲＰ回路基板に織り込まれたガラスクロスの構成例を示す図である。 従来におけるＧＦＲＰ回路基板に織り込まれたガラスクロスと給電線との関係を示す図である。

次に、本発明の実施形態について説明する。

（Ａ）本発明の実施形態の構成の説明
図１は、本発明の実施形態に係るレーダ装置のアンテナの構成例を示す図である。この図に示すように、本実施形態に係るレーダ装置１のアンテナは、ＧＦＲＰ回路基板１０、送信アンテナ２０、および、受信アンテナ３０−１〜３０−４を有している。

ここで、ＧＦＲＰ回路基板１０は、図１に拡大して示すように、ガラス繊維を縦横方向に交差するように織って形成したガラスクロスを、例えば、エポキシ樹脂に封入して形成される。なお、本発明は、エポキシ樹脂には限定されず、これ以外の樹脂（例えば、テフロン（登録商標）樹脂等）を用いるようにしてもよい。

送信アンテナ２０は、５つのパッチアンテナ素子２１が図１のＹ方向に所定の間隔で並べて配置されて構成される。また、パッチアンテナ素子２１は、各パッチアンテナ素子２１の右辺からＸ方向に伸延する給電線２２と、Ｙ方向に伸延する給電線２３によって相互に接続され、アレーアンテナを構成する。

受信アンテナ３０−１〜３０−４は、５つのパッチアンテナ素子２１が図１のＹ方向に所定の間隔で並べて配置されて構成されるアレーアンテナがＸ方向に４つ並べて配置されて構成される。また、各アレーアンテナを構成するパッチアンテナ素子３１は、各パッチアンテナ素子２１の右辺からＸ方向に伸延する給電線３２と、主としてＹ方向に伸延する給電線３３によって相互に接続されている。

図２は、本発明の実施形態に係るレーダ装置１の電気的な構成例を示す図である。図２に示すように、本発明の実施形態に係るレーダ装置１は、制御・処理部１０１、局部発振部１０２、送信部１２０、受信部１３０、および、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）変換部１０７を主要な構成要素としている。

ここで、局部発振部１０２は、所定の周波数のＣＷ（Continuous Wave）信号を生成して、送信部１２０と受信部１３０に供給する。

送信部１２０は、変調部１０３、および、送信アンテナ２０を有し、局部発振部１０２から供給されるＣＷ信号を、変調部１０３によってパルス変調し、送信アンテナ２０を介して物標に向けて送信する。

送信部１２０の変調部１０３は、制御・処理部１０１によって制御され、局部発振部１０２から供給されるＣＷ信号をパルス変調して出力する。送信アンテナ２０は、変調部１０３から供給されるパルス信号を、物標に向けて送信する。

制御・処理部１０１は、局部発振部１０２、変調部１０３、アンテナ切換部１０４、および、利得可変増幅部１０５を制御するとともに、Ａ／Ｄ変換部１０７から供給される受信データに対して演算処理を実行することで、物標を検出する。

受信部１３０は、受信アンテナ３０−１〜受信アンテナ３０−４、アンテナ切換部１０４、利得可変増幅部１０５、および、復調部１０６を有し、送信アンテナ２０から送信され、物標によって散乱された信号を受信して復調処理を施した後、Ａ／Ｄ変換部１０７に出力する。

受信部１３０の受信アンテナ３０−１〜受信アンテナ３０−４は、４つの受信アンテナによって構成され、送信アンテナ２０から送信され、物標によって散乱された信号を受信し、アンテナ切換部１０４に供給する。

アンテナ切換部１０４は、制御・処理部１０１によって制御され、受信アンテナ３０−１〜受信アンテナ３０−４のいずれか１つを選択して、受信信号を利得可変増幅部１０５に供給する。利得可変増幅部１０５は、制御・処理部１０１によって利得が制御され、アンテナ切換部１０４から供給される受信信号を、所定の利得で増幅して復調部１０６に出力する。復調部１０６は、利得可変増幅部１０５から供給される受信信号を、局部発振部１０２から供給されるＣＷ信号を用いて復調して出力する。

Ａ／Ｄ変換部１０７は、復調部１０６から供給される受信信号を所定の周期でサンプリングし、デジタル信号に変換して制御・処理部１０１に供給する。

（Ｂ）本発明の実施形態の動作の説明
つぎに、本発明の実施形態の動作を説明する。なお、以下では、従来例との比較によって本発明の特徴を説明する。

図３は、従来のレーダ装置のアンテナの構成を示す図である。図３の例では、図１と比較すると、受信アンテナ４０−１〜４０−４の構成が異なっている。すなわち、図３の例では、受信アンテナ４０−１〜４０−４は、各パッチアンテナ素子４１の右辺からＸ方向に伸延する給電線４２がＸ方向と略平行とされ、Ｙ方向に伸延する給電線４３がＹ方向と略平行とされている。

ところで、図３に一部を拡大して示すように、ＧＦＲＰ回路基板１０の内部に封入されているガラスクロスは、Ｘ方向およびＹ方向にそれぞれ略平行なガラス繊維を交差して織ることで形成される。このため、図３の例では、給電線４２はＸ方向に平行なガラス繊維と略平行となり、また、給電線４３はＹ方向に平行なガラス繊維と略平行となる。

このような場合、図１２に示すように、給電線が形成される場所によって、給電線がガラス繊維の直上に配置されたり、ガラス繊維の直上から離れた位置に配置されたりする場合がある。前述したように、エポキシ樹脂の比誘電率は約３．３〜４．０であり、ガラスの比誘電率は約５．４〜９．９である。このため、図１２に示すように、ガラス繊維の直上に形成される給電線Ａ１と、ガラス繊維の直上からずれた位置に形成される給電線Ａ２を比較すると、比誘電率が異なることから、給電線の特性インピーダンス等が異なるため、伝送特性が異なる。

本発明の実施形態に係るレーダ装置１では、４つの受信アンテナ３０−１〜３０−４をアンテナ切換部１０４によって切り換え、物標からの反射波の位相差によって、物標の水平方向の位置を検出する。このため、給電線とガラス繊維との位置関係によって伝送特性が変化し、位相特性が異なる場合が生じる。このような場合には、物標からの反射波の位相差を正確に検出することができないことから、検出誤差を生じる場合がある。

また、ガラス繊維は、必ずしも真っ直ぐには配置されていない。このため、同じ給電線に接続される各パッチアンテナ素子への給電の位相がずれてしまう場合がある。図４は、図３に示すＡ−Ａ’の断面図である。各パッチアンテナ素子への給電の位相がずれを有しない場合には、パッチアンテナ素子の指向特性は図４に示すように、ＧＦＲＰ回路基板１０の法線方向と略一致する。しかしながら、各パッチアンテナ素子への給電の位相がずれを有する場合、図５に示すように、パッチアンテナ素子のメインローブが垂直方向にずれる場合がある。

そこで、本発明の実施形態では、図６に示すように、ガラス繊維が伸延する方向（図６ではＹ方向）に対して、給電線が傾きを有するように配置されている。すなわち、本実施形態では、図６に示すように、所定の方向（Ｙ方向）に伸延するガラス繊維を、少なくとも１以上跨ぐように給電線が形成されている。このように、少なくとも１以上のガラス繊維を跨ぐように給電線を配置することで、各給電線３３において、ガラス繊維の存在する部分と存在しない部分の割合が平均化されることで、給電線が形成される位置によって比誘電率が変化し、特性が変化することを抑制できる。

より詳細には、本実施形態では、図１に示すように、ガラス繊維を縦方向（Ｙ方向）および横方向（Ｘ方向）に交差するように織って形成したガラスクロスを有するＧＦＲＰ回路基板１０の表面に、Ｙ方向に５つ並べて配置したパッチアンテナ素子３１を、Ｘ方向に角度θ１ずらして配置され、ＸおよびＹ方向と異なる方向に傾斜した第１傾斜部を有する給電線３２と、Ｙ方向に角度θ２ずらして配置され、Ｘ方向、Ｙ方向および第１傾斜部の傾斜と異なる方向に傾斜した第２傾斜部を有する給電線３３とによって接続し、受信アンテナ３０−１〜３０−４が構成される。このような受信アンテナ３０−１〜３０−４は、ガラス繊維を跨ぐように給電線３２，３３が配置されることから、ガラス繊維とエポキシ樹脂の比誘電率が平均化される。このため、受信アンテナ３０−１〜３０−４の配置される位置によらず、伝送特性が一定になることから、受信アンテナ３０−１〜３０−４の位相特性のばらつきが生じたり、指向特性が傾きを生じたりすることを防止できる。

なお、給電線を傾ける角度としては、例えば、図７の左側の太い実線で示すように、１波長に対応する給電線の長さに対して、ガラス繊維の１ピッチ以上を跨ぐように形成すればよい。図７において、細い実線はガラス繊維を示し、太い実線は給電線を示している。図７の左側の太い実線の例では２ピッチ跨いでいる。一般的には、波長をλとし、ピッチをＰとし、ガラス繊維を跨ぐ本数をｎとする場合、給電線の傾きθは以下の式（１）で表すことができる。なお、ａｒｃｔａｎ（）は、括弧内のアークタンジェント（逆正接）を与える関数である。

θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｐ×ｎ／λ） ・・・（１）

例えば、１０本のガラス繊維を跨ぐ場合（ｎ＝１０の場合）であって、波長λ＝１０ｍｍのときは、θ＝ａｒｃｔａｎ（０．５ｍｍ×１０／１０ｍｍ）≒２６．５度となるので、給電線を約２６．５度傾ければよい。また、１本のガラス繊維を跨ぐ場合（ｎ＝１の場合）であって、波長λ＝１０ｍｍのときは、θ＝ａｒｃｔａｎ（０．５ｍｍ×１／１０ｍｍ）≒２．８６度となるので、給電線を約２．８６度傾ければよい。このため、一般的には、ガラス繊維のピッチの誤差等を考慮して、５度≦θ≦３０度に設定することが望ましい。なお、少なくとも１本のガラス繊維を跨ぐための角度条件は、Ｐ＝１として、以下の式（２）で表すことができる。

θ＞ａｒｃｔａｎ（Ｐ／λ） ・・・（２）

また、図７の右側の太い実線で示すように、複数回折れ曲がった実線の場合には、この実線が累積して跨いでいるガラス繊維の本数が１以上となるようにすればよい。例えば、図７の右側の実線では、累積３本のガラス繊維を跨いでいる。

以上に説明したように、本発明の実施形態では、ガラス繊維を跨ぐように給電線３２，３３を配置するようにしたので、ガラス繊維とエポキシ樹脂の比誘電率が平均化される。このため、受信アンテナ３０−１〜３０−４の配置される位置によらず、伝送特性が一定になることから、受信アンテナ３０−１〜３０−４の位相特性のばらつきが生じたり、指向特性が傾きを生じたりすることを防止できる

（Ｃ）変形実施形態の説明
以上の実施形態は一例であって、本発明が上述したような場合のみに限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、前述した実施形態では、受信アンテナ３０−１〜３０−４は、図１に示す形状としたが、例えば、図８に示す形状としてもよい。図８の例では、受信アンテナ３０−１〜３０−４は、パッチアンテナ素子３１の右辺からＸ方向に伸延する給電線３４と、隣接する給電線３２同士を接続する略Ｖ字形状に形成することで、ＸおよびＹ方向と異なる方向に傾斜する第１傾斜部および第２傾斜部を有する給電線３５とを有している。また、給電線３５は、Ｙ方向から角度θ２傾いて配置され、５度≦θ２≦３０度とされている。なお、θ２の具体的な角度の設定方法としては、前述した式（１）を用いることができる。

図８に示すような構成によれば、図１と同様に、ガラス繊維とエポキシ樹脂の比誘電率が平均化される。このため、受信アンテナ３０−１〜３０−４の配置される位置によらず、伝送特性が一定になることから、受信アンテナ３０−１〜３０−４の位相特性のばらつきが生じたり、指向特性が傾きを生じたりすることを防止できる。なお、給電線３４についても、Ｘ軸に対して傾きを有する構成としてもよい。

また、図１および図８に示す実施形態では、パッチアンテナ素子３１の右辺からＸ方向に伸延する給電線３２，３４と、給電線３２，３４を接続するＹ方向に伸延する給電線３３，３５とを有するようにしたが、例えば、図９に示すように、隣接するパッチアンテナ素子３１の下辺と上辺とを斜めに接続することで傾斜部を有する給電線３６を設けるようにしてもよい。図９に示す例では、隣接するパッチアンテナ素子３１は、その下辺と上辺とを接続する給電線３６によって接続されている。また、給電線３６は、Ｙ方向から角度θ３（５度≦θ３≦３０度）傾いて配置される。なお、θ３の具体的な角度の設定方法としては、前述した式（１）を用いることができる。

図９に示すような構成によれば、図１および図８と同様に、ガラス繊維とエポキシ樹脂の比誘電率が平均化される。このため、受信アンテナ３０−１〜３０−４の配置される位置によらず、伝送特性が一定になることから、受信アンテナ３０−１〜３０−４の位相特性のばらつきが生じたり、指向特性が傾きを生じたりすることを防止できる。また、図９に示す構成では、図１および図８と比較して、給電線３６がパッチアンテナ素子３１のＸ方向の幅内に収まり、Ｘ方向の長さを占有しないことから、実装面積を縮小することができる。

また、以上の図１、図８、および、図９に示す実施形態では、直線状の給電線３２〜３６によって、パッチアンテナ素子３１を接続するようにしたが、例えば、図１０に示すように、曲線状に形成されることで傾斜部を有する給電線３８を用いてパッチアンテナ素子３１を接続するようにしてもよい。図１０に示す例では、パッチアンテナ素子３１は、パッチアンテナ素子３１の右辺からＸ方向に伸延する直線状の給電線３７と、隣接する給電線３７同士を接続する円弧状の給電線３８とによって構成されている。なお、円弧状の給電線３８は、その経路において、少なくとも１以上のガラス繊維を跨ぐように構成されている。図１０に示すような構成によれば、図１、図８、および、図９と同様に、ガラス繊維とエポキシ樹脂の比誘電率が平均化される。このため、受信アンテナ３０−１〜３０−４の配置される位置によらず、伝送特性が一定になることから、受信アンテナ３０−１〜３０−４の位相特性のばらつきが生じたり、指向特性が傾きを生じたりすることを防止できる。

また、以上の各実施形態では、４つの受信アンテナ３０−１〜３０−４を有するようにしたが、３つ以下または５つ以上の受信アンテナを有するようにしてもよい。

また、以上の各実施形態では、受信アンテナに本発明を適用するようにしたが、例えば、送信アンテナに本発明を適用するようにしてもよい。例えば、送信アンテナが１つの場合、異なるレーダ装置１毎の送信アンテナの特性のばらつきを小さくすることができ、特に、送信アンテナが複数存在する場合においては、これら複数の送信アンテナの特性のばらつきを解消したり、各パッチアンテナ素子間で指向特性が傾きを生じたりすることを防止できる。また、複数のレーダ装置を装備する場合であって、これら複数のレーダ装置によって得られた情報を統合して用いる場合に本発明を適用するようにしてもよい。例えば、車両に搭載されるレーダ装置の場合、車両の前方または後方の左右にそれぞれレーダ装置が搭載され、前方の左右に搭載されるレーダ装置によって得られる情報を統合することで、車両の前方に存在する物標を詳細に検出することができる。また、後方の左右に搭載されるレーダ装置によって得られる情報を統合することで、車両の後方に存在する物標を詳細に検出することができる。このようなレーダ装置の場合、左右のレーダ装置の送信アンテナの特性が異なる場合には、ビームの特性にばらつきが生じることから、統合後の情報に誤差が生じることがある。そこで、本発明をそれぞれのレーダ装置の送信アンテナに適用することで、ビームの特性のばらつきを抑制することができる。

また、以上の実施形態では、物標に対してパルスを送信するパルス方式のレーダを例に挙げて説明したが、ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式に本発明を適用するようにしてもよい。

１ レーダ装置
１０ ＧＦＲＰ回路基板
２１ パッチアンテナ素子
２２ 給電線
２３ 給電線
３０ 受信アンテナ
３０−１〜３０−４ 受信アンテナ
３１ パッチアンテナ素子
３２ 給電線（第１傾斜部）
３３ 給電線（第２傾斜部）
３４ 給電線
３５ 給電線（第１傾斜部、第２傾斜部）
３６ 給電線（傾斜部）
３７ 給電線
３８ 給電線（傾斜部）
４０−１〜４０−２ 受信アンテナ
４１ パッチアンテナ素子
４２〜４３ 給電線
１０１ 処理部
１０２ 局部発振部
１０３ 変調部
１０４ アンテナ切換部
１０５ 利得可変増幅部
１０６ 復調部
１０７ Ａ／Ｄ変換部
１２０ 送信部
１３０ 受信部

Claims (7)

1. 電波により物標を検出するレーダ装置において、
   第１の方向に伸延する第１のガラス繊維と、
   前記第１の方向とは異なる第２の方向に伸延する第２のガラス繊維と、
   が互いに織り込まれた回路基板と、
   前記回路基板上に並べて配置された複数のパッチアンテナ素子と、
   前記複数のパッチアンテナ素子を接続する給電線と、を有し、
   前記給電線は、前記第１および第２のガラス繊維の両方を少なくとも１以上跨ぐように形成された傾斜部を有する、
   ことを特徴とするレーダ装置。
2. 前記給電線を伝送される信号の波長をλとするとき、前記給電線は波長λに対応する長さにおいて、前記ガラス繊維を少なくとも１以上跨ぐように形成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. 前記傾斜部と、前記第１および第２の方向のいずれか一方とのなす角度が５度以上３０度以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーダ装置。
4. 前記給電線は、前記第１および第２の方向に対し、第１の傾きを有する第１傾斜部と、前記第１の傾きと異なる第２の傾きを有する第２傾斜部と、を有することを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
5. 前記複数のパッチアンテナ素子は受信アンテナを構成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーダ装置。
6. 前記複数のパッチアンテナ素子によって構成される受信アンテナを複数有し、これら複数の受信アンテナによって受信される受信信号の位相差に基づいて前記物標の位置を検出することを特徴とする請求項５に記載のレーダ装置。
7. 前記給電線は、前記複数のパッチアンテナ素子が並ぶ方向に伸延する部分を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレーダ装置。

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