JP2020159985A

JP2020159985A - レーダ装置

Info

Publication number: JP2020159985A
Application number: JP2019062258A
Authority: JP
Inventors: 郷小池; Go Koike; 満桐田; Mitsuru Kirita
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2020-10-01
Anticipated expiration: 2039-03-28
Also published as: JP7005549B2

Abstract

【課題】電波を多重反射させつつ、広角検知性能を高めることができるレーダ装置を提供する。【解決手段】電波を照射するアンテナと、電波の照射方向を覆う平板状の誘電体から構成されるレドームと、アンテナの周囲に配置され、レドームの内側平面により反射された電波を再反射する反射平面を有する反射部材と、を備え、レドームの内側平面と反射部材の反射平面とは平行に配置され、レドームの内側平面と反射部材の反射平面との間隔は、電波の自由空間波長の半波長の自然数倍に応じた間隔に設定されているレーダ装置。【選択図】図１

Description

本願は、レーダ装置に関するものである。

近年、安全性の要求の高まりにより、レーダ装置の前方の検知性能だけでなく、広角範囲の検知性能の要求も高まっている。例えば、歩行者の飛び出しに対応するために広角範囲の検知が望まれている。そのため、アンテナを覆うレドーム（レーダドーム）において、広角範囲での透過性能向上が必要になっている。例えば、これまで中心角度（例えば、±５度程度から±１０度程度）で検知性能を高めていたのに対して、広角（例えば±６０度の範囲）での検知性能の向上も合わせて必要になっている。

特許文献１の技術では、中心角度におけるレドームの透過率と、最大検知角度におけるレドームの透過率とをバランスよく向上するために、レドームの厚さを調整している。

特開２０１７−２１１１９９号公報

ところで、発明者は、レドームに反射した電波を再反射して利用する多重反射により透過率を向上することを検討している。しかしながら、特許文献１のレーダ装置は、レドームに反射した電波を再反射して利用する多重反射を行うように構成されておらず、多重反射を行う場合において、広角検知性能を高めるレーダ装置の最適な構成について開示されていない。

そこで、電波を多重反射させつつ、広角検知性能を高めることができるレーダ装置が望まれる。

本願に係るレーダ装置は、
電波を照射するアンテナと、
前記電波の照射方向を覆う平板状の誘電体から構成されるレドームと、
前記アンテナの周囲に配置され、前記レドームの内側平面により反射された前記電波を再反射する反射平面を有する反射部材と、を備え、
前記レドームの内側平面と前記反射部材の反射平面とは平行に配置され、前記レドームの内側平面と前記反射部材の反射平面との間隔は、前記電波の自由空間波長の半波長の自然数倍に応じた間隔に設定されているものである。

本願に係るレーダ装置によれば、レドームの内側平面に反射した電波を、反射部材の反射平面により再反射させて、多重反射を生じさせることができる。レドームの内側平面と反射部材の反射平面との間隔が、電波の自由空間波長の半波長の自然数倍に応じた間隔に設定されているので、検出角度範囲が広角にされた場合でも、検出角度範囲に亘って、多重反射の干渉による全透過率の向上効果を高めることができ、レーダ装置の広角検知性能を高めることができる。

実施の形態１に係るレーダ装置の概略構成図である。実施の形態１に係るレドームにおける電波の反射、透過を説明するための模式図である。実施の形態１に係る中心角度及び最大検出角度におけるレドーム厚と透過率との関係特性を示す図である。実施の形態１に係る多重反射を考慮した場合の透過率の数値演算モデルを説明するための図である。実施の形態１に係る第１例のレドーム厚の場合におけるレドームの間隔と検出角度範囲内の最悪全透過率との関係特性を示す図である。実施の形態１に係る第２例のレドーム厚の場合におけるレドームの間隔と検出角度範囲内の最悪全透過率との関係特性を示す図である。実施の形態１に係る第１例のＨ＝１．０λの場合における照射角度と全透過率との関係特性を示す図である。

１．実施の形態１
実施の形態１に係るレーダ装置１について図面を参照して説明する。図１は、レーダ装置１の概略構成を示す図である。レーダ装置１は、アンテナ２、レドーム３、及び反射部材４を備えている。

１−１．レーダ装置の基本構成
＜アンテナ２＞
アンテナ２は、電波を照射する。本実施の形態では、アンテナ２は、電波としてミリ波を照射する。本実施の形態では、ミリ波は、中心周波数76.5GHz、中心波長は約3.92mmとされている。レーダ装置１は、物体に反射した電波を受信する受信アンテナ（不図示）と、送受信した電波に基づいて、物体の距離、相対速度、方位等を算出する演算処理装置（不図示）と、を備えている。

アンテナ２の電波の照射部は、平板状（本例では、矩形平板状）に形成されている。アンテナ２のレドーム３側の平面（照射平面）は、レドーム３の内側平面と平行にされている。アンテナ２には、各種方式のものがあるが、例えば、金属帯状のものが用いられる。

アンテナ２は、仕様に応じた照射範囲に電波を照射する。レーダ装置１は、物体の検出性能を確保（保障）する検出角度範囲の仕様が定められている。検出角度範囲は、電波の照射範囲内に設定される。

＜レドーム３＞
レドーム３は、アンテナ２を保護するレーダドームであり、電波の照射方向を覆う平板状の誘電体から構成されている。レドーム３は、少なくとも検出角度範囲に照射された電波が当たる部分は、平板状に形成されており、それ以外の部分は、平板状でなくてもよい。

図２に示すように、レドーム３は、入射した電波の一部を内側平面（アンテナ２側の平面）により反射し、反射されなかった電波の一部をレドーム３内で吸収し、吸収されなかった電波が、レドーム３を透過し、出射される。

本実施の形態では、誘電体として、ＳＰＳ（Syndiotactic PolyStyrene）（例えば、メーカ：出光興産、型名：Ｓ１３１（Ｎ１５１０））が用いられている。ＳＰＳは、ミリ波レーダの周波数に良好な電波透過特性を持ち、耐環境性も優れている。ＳＰＳの比誘電率はおよそ３である。

＜反射部材４＞
反射部材４は、アンテナ２の周囲に配置され、レドーム３の内側平面により反射された電波を再反射する反射平面を有する。反射部材４は、アンテナ２の背面が固定される平板状の地板導体とされている。地板導体には、電波を反射する金属が用いられる。

レドーム３の内側平面と反射部材４の反射平面とは平行に配置されている。また、アンテナ２の照射平面も、レドーム３の内側平面と平行に配置されている。

１−２．多重反射の干渉を考慮したレドームの厚さ
＜中心角度の透過率及び最大検出角度の透過率の評価＞
レドーム３は、その厚さＤに応じて、照射角度に対する透過率の特性が変化する。検出角度範囲の全体に亘って透過率を良好にするためには、検出角度範囲の中心角度の透過率と、最大検出角度の透過率とを良好にするとよい。これは、中心角度の透過率と最大検出角度の透過率を良好にすると、中心角度と最大検出角度との間の透過率の悪化が比較的抑制できる傾向となるためである。

ここで、中心角度は、レドーム３の内側平面の垂直方向であり、照射角度θは０度である。最大検出角度は、検出角度範囲の中で垂直方向に対して最も傾斜した角度であり、本実施の形態では、６０度の照射角度θに設定されている。また、中心角度透過率は、中心角度（θ＝０度）に照射された電波成分のレドームの透過率である。最大角度透過率は、最大検出角度（本例では、θ＝６０度）の方向に照射された電波成分のレドームの透過率である。なお、最大検出角度は、６０度でなくても、２５度から７５度までの範囲内に設定されてもよい。

図３に、レドームの厚さＤと、中心角度透過率及び最大角度透過率との数値演算結果を示す。この数値演算では、反射部材４による再反射がないと仮定しており、アンテナ２からレドーム３に直接入射して透過した電波の透過率となっている。また、厚さＤは、レドーム内での電波の波長λｇの倍数で表している。

中心角度透過率と最大角度透過率とがバランスよく、良好になるレドームの厚さＤは、図３に丸で示すように、中心角度透過率と最大角度透過率とが一致する点付近である。後述する数値演算では、第１例として、Ｄ＝１．１０５λｇに設定されている場合を説明し、第２例として、Ｄ＝０．５５２λｇに設定されている場合を説明する。

１−３．多重反射を利用したレドームの間隔Ｈの設定
レーダ装置１は、反射部材４を備えており、レドーム３の内側平面で反射された電波が、反射部材４の反射平面で再反射されて、レドーム３に再入射する多重反射が生じる。そのため、多重反射により透過率を向上させることができる。一方、多重反射による透過率の向上は、レドーム３の内側平面と反射部材４の反射平面との間隔Ｈ（以下、レドームの間隔Ｈとも称す）に応じて変化する。

＜多重反射の干渉を考慮した全透過率の数値演算＞
図４に、反射部材４とレドーム３との間の多重反射を考慮した場合のレドーム３の透過率の数値演算モデルを示す。ある照射角度θにおける、反射部材４の再反射回数が０回からｍ回である場合において、各回の再反射後にレドーム３を透過する透過電界Ｅ_Ｔ０〜Ｅ_Ｔｍは次式で表せる。

ここで、Ｔは、レドームの透過率であり、照射角度θに応じて変化する関数となり、Ｒは、レドームの反射率であり、照射角度θに応じて変化する関数となり、Ｅ_０は、アンテナから照射された電波の照射角度θの電界成分であり、ｅｘｐ（）は、指数関数であり、ｊは、虚数であり、ｋ_０は、単位長さ当たりの電波の波数（角波数）であり、λ_０は、真空中の電波の波長であり、Ｌは、反射部材４とレドーム３との間の電波の伝搬長である。反射部材４の反射平面の反射率は、１００％に設定されており、反射部材４の反射平面とアンテナ２の照射平面との間の間隔は、反射部材４の反射平面とレドームの内側平面との間隔Ｈよりも十分に小さいものとして、無視している。各照射角度θにおける再反射回数ｍは、レーダ装置１の構造によって決まる数に設定されている。

ｅｘｐ（）の項は、電波が多重反射している間に生じる電波の位相遅れの項であり、多重反射による干渉を表している。式（１）の各再反射回数ｍの透過電界Ｅ_Ｔ０〜Ｅ_Ｔｍを、合計した全透過電界Ｅ_{ｔｏｔａｌ}は、次式となる。

ここで、αは、アンテナから照射された電波の電界成分Ｅ_０に対する全透過電界Ｅ_{ｔｏｔａｌ}の全透過率である。

＜各レドームの間隔Ｈにおける検出角度範囲内の最悪全透過率αｍｉｎの算出＞
上記の数値演算モデルを用いて、各レドームの間隔Ｈにおいて、多重反射を考慮した全透過率αを評価する。具体的には、各レドームの間隔Ｈにおいて照射角度θを０度から最大検出角度（本例では６０度）まで変化させ、各照射角度θにおける全透過率αを算出する。そして、検出角度範囲内の各照射角度θの全透過率αの中で、最も悪い全透過率αｍｉｎ（最も小さい透過率）を抽出する。

レドームの厚さＤを、Ｄ＝１．１０５λｇに設定した第１例の場合の数値演算結果を図５に示し、レドームの厚さＤを、Ｄ＝０．５５２λｇに設定した第２例の場合の数値演算結果を図６に示す。

第１例の図５では、レドームの間隔Ｈが、電波の自由空間波長λの半波長λ／２の自然数倍（Ｈ＝０．５λ、１．０λ、１．５λ）付近である場合に、検出角度範囲内の最悪全透過率αｍｉｎが大きくなるピークが存在する。第２例の図６においても、レドームの間隔Ｈが、電波の波長λの半波長の整数倍（Ｈ＝０．５λ、１．０λ、１．５λ）付近である場合に、検出角度範囲内の最悪全透過率αｍｉｎが大きくなるピークが存在する。特に、レドームの間隔Ｈが、半波長λ／２の１倍、２倍、３倍の場合に、ピークの傾向が顕著である。ここで、自由空間は、電荷密度及び電流密度の値が０であるような空間であり、例えば、真空空間となる。

図７に、図５の第１例において、Ｈ＝１．０λの場合において、０度から６０度の各照射角度θにおける全透過率αを示す。θ＝３４度付近で、全透過率αが最も悪い０．９１になり、最悪全透過率αｍｉｎ＝０．９１になっている。中心角度（０度）及び最大検出角度（６０度）の双方で、透過率が良くなるレドームの厚さＤが設定されているので、中心角度と最大検出角度との間の全透過率αが良好に保たれている。

レドームの厚さＤが、Ｄ＝１．１０５λｇ、及びＤ＝０．５５２λｇに設定されている場合において、同様の結果が得られている。よって、中心角度透過率と最大角度透過率とが、ある程度、バランスよく、良好になるレドームの厚さＤに設定していれば、最適なレドームの間隔Ｈも同様の傾向になる。

また、最悪全透過率αｍｉｎがピーク値になるレドームの間隔Ｈは、自由空間波長の半波長λ／２の自然数倍から多少ずれており、レドームの間隔Ｈが半波長λ／２の自然数倍から多少ずれても、最悪全透過率αｍｉｎは良好に保たれている。よって、レドームの間隔Ｈが、自由空間波長の半波長λ／２の自然数倍から±１０％程度の範囲内（λ／２の自然数倍×０．９からλ／２の自然数倍×１．１までの範囲内）であれば、最悪全透過率αｍｉｎがピーク値から大きく低下することなく、良好に保てる。従って、レドームの間隔Ｈを、自由空間波長の半波長λ／２の自然数倍に応じた間隔に設定すれば、検出角度範囲内において、多重反射の干渉を考慮した全透過率αを良好に保てる。

１−３．レーダ装置の寸法設計
レドーム３の内側平面と反射部材４の反射平面との間隔Ｈ（レドームの間隔Ｈ）は、電波の自由空間波長の半波長λ／２の自然数倍に応じた間隔に設定されている。レドームの間隔Ｈは、半波長λ／２の自然数倍に完全に一致していなくても、半波長λ／２の自然数倍から±１０％の範囲内（λ／２の自然数倍×０．９からλ／２の自然数倍×１．１までの範囲内）であればよい。これは、上述したように、ピーク値が半波長λ／２の自然数倍から多少ずれており、また、±１０％程度の範囲内であれば、最悪全透過率αｍｉｎがピーク値から大きく低下しないためである。この構成によれば、レドーム３の内側平面と反射部材４の反射平面との間の多重反射の干渉による全透過率αの向上効果を最大限に高めることができ、レーダ装置１の検知性能を高めることができる。特に、レドームの間隔Ｈを、半波長λ／２の１倍、２倍、３倍のいずれかに応じた間隔に設定すれば、全透過率αの向上効果をより高めることができる。

レドームの厚さＤは、中心角度透過率と最大角度透過率との差が、目標透過率差以下になる厚さに設定されている。この構成によれば、中心角度透過率と最大角度透過率とが、バランスよく、良好になるレドームの厚さＤに設定されるので、中心角度と最大検出角度とにおいて、全透過率αが良好になると共に、中心角度と最大検出角度との間においても、全透過率αが良好になり、検出角度範囲内のレーダ装置１の検知性能を全体的に高めることができる。

例えば、上記の第１例及び第２例のように、目標透過率差を０に設定し、レドームの厚さＤが、中心角度透過率と最大角度透過率とが一致する厚さに設定されるとよい。或いは、中心角度透過率と最大角度透過率とが完全に一致していなくても、良好な結果が得られる。そのため、例えば、目標透過率差が、２０％に設定されるとよい。２０％程度の透過率差であれば、上記のようにレドームの間隔Ｈを設定した場合において、検出角度範囲内の各照射角度において、全透過率αが悪化することを抑制できる。

本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。

１レーダ装置、２アンテナ、３レドーム、４反射部材、α 全透過率、αｍｉｎ最悪全透過率、θ 照射角度、λ 電波の自由空間波長、λｇレドーム内での電波の波長

Claims

電波を照射するアンテナと、
前記電波の照射方向を覆う平板状の誘電体から構成されるレドームと、
前記アンテナの周囲に配置され、前記レドームの内側平面により反射された前記電波を再反射する反射平面を有する反射部材と、を備え、
前記レドームの内側平面と前記反射部材の反射平面とは平行に配置され、前記レドームの内側平面と前記反射部材の反射平面との間隔は、前記電波の自由空間波長の半波長の自然数倍に応じた間隔に設定されているレーダ装置。
前記レドームの厚さは、前記レドームの内側平面の垂直方向に照射された電波成分の前記レドームの透過率である中心角度透過率と、検出角度範囲の中で前記垂直方向に対して最も傾斜した角度である最大検出角度の方向に照射された電波成分の前記レドームの透過率である最大角度透過率と、の差が、目標透過率差以下になる厚さに設定されている請求項１に記載のレーダ装置。
前記レドームの厚さは、前記中心角度透過率と前記最大角度透過率とが一致する厚さに設定されている請求項２に記載のレーダ装置。