JP2020517175A - スロットアンテナ装置 - Google Patents

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Abstract

スロットアンテナ装置は、第１および第２導電性表面を有する第１導電部材と、前記第２導電性表面に対向する第３導電性表面を有する第２導電部材と、前記第２導電性表面上にある導波部材と、前記導波部材の両側に位置する人工磁気導体とを備える。前記第１導電部材は、スロットを備える。前記導波部材は、前記第３導電性表面に対向する導波面を有する。前記第３導電性表面、前記導波面、および前記人工磁気導体は、導波路を規定する。前記導波部材は、第１リッジおよび第２リッジを有する。前記導波面に垂直な方向から見て、前記スロットは、前記第１リッジの前記一端と前記第２リッジの前記一端との間に位置する。前記導波面と前記第３導電性表面との間隔、および前記導波面の幅の少なくとも一方は、前記導波部材が延びる方向に沿って変動している。

Description

本開示は、スロットアンテナ装置に関する。
線上または面上に１つ以上の放射素子（以下、「アンテナ素子」とも称する。）が配列されたアンテナ装置が、様々な用途、例えばレーダおよび通信システムに利用されている。アンテナ装置から電磁波を放射するには、電磁波を生成する回路からアンテナ素子に電磁波、例えば高周波の信号波を供給する必要がある。このような電磁波の供給は、導波路を介して行われる。導波路は、アンテナ素子で受けた電磁波を受信回路に送るためにも用いられる。
従来、アレーアンテナへの給電には、マイクロストリップ線路が用いられることが多かった。しかし、アレーアンテナによって送信または受信する電磁波の周波数が、例えばミリ波帯域のように３０ギガヘルツ（ＧＨｚ）を超える高い周波数である場合、マイクロストリップ線路の誘電体損失が大きくなり、アンテナの効率が低下する。このため、このような高周波領域では、マイクロストリップ線路に代わる導波路が必要になる。
マイクロストリップ線路に代わる導波路構造として、特許文献１から３、ならびに非特許文献１および２は、リッジ型導波路の両側に配置された人工磁気導体（ＡＭＣ：Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を利用して電磁波の導波を行う構造を開示している。特許文献１および非特許文献１は、このような導波路構造を利用したスロットアレーアンテナを開示している。
米国特許第８７７９９９５号明細書 米国特許第８８０３６３８号明細書 欧州特許出願公開第１３３１６８８号明細書
Kirino et al., "A 76 GHz Multi-Layered Phased Array Antenna Using a Non-Metal Contact Metamaterial Waveguide", IEEE Transaction on Antennas and Propagation, Vol. 60, No. 2, February 2012, pp 840-853 Kildal et al., "Local Metamaterial-Based Waveguides in Gaps Between Parallel Metal Plates", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 8, 2009, pp84-87
本開示は、従来とは異なる原理に基づくアンテナ装置を提供する。
本開示の一態様に係るスロットアンテナ装置は、正面側の第１導電性表面および背面側の第２導電性表面を有し、前記第１導電性表面から前記第２導電性表面まで貫通する少なくとも１つのスロットを備える第１導電部材と、前記第１導電部材の背面側に位置し、前記第２導電性表面に対向する正面側の第３導電性表面を有する第２導電部材と、前記第１導電部材の前記第２導電性表面上にあるリッジ状の導波部材であって、前記第３導電性表面に対向する導電性の導波面を有し、前記第３導電性表面に沿って延びる導波部材と、前記導波部材の両側に位置し、前記第２導電性表面および前記第３導電性表面の少なくとも一方にある人工磁気導体と、を備える。前記第３導電性表面、前記導波面、および前記人工磁気導体は、前記第３導電性表面と前記導波面との間隙に導波路を規定する。前記導波部材は、第１リッジおよび第２リッジを有する。前記第１リッジの一端と前記第２リッジの一端とは対向する。前記導波面に垂直な方向から見て、前記スロットは、前記第１リッジの前記一端と前記第２リッジの前記一端との間に位置する。前記少なくとも１つのスロットは、前記第１導電性表面の側において外部空間に向けて開放されている。前記導波面と前記第３導電性表面との間隔、および前記導波面の幅の少なくとも一方は、前記導波部材が延びる方向に沿って変動している。
本開示の実施形態によれば、従来とは異なる原理により、低損失のアンテナ装置を実現することができる。
図１は、導波路装置が備える基本構成の限定的ではない例を模式的に示す斜視図である。 図２Ａは、導波路装置１００のＸＺ面に平行な断面の構成を模式的に示す図である。 図２Ｂは、導波路装置１００のＸＺ面に平行な断面の他の構成を模式的に示す図である。 図３は、わかりやすさのため、導電部材１１０と導電部材１２０との間隔を極端に離した状態にある導波路装置１００を模式的に示す斜視図である。 図４は、図２Ａに示す構造における各部材の寸法の範囲の例を示す図である。 図５Ａは、導波部材１２２の導波面１２２ａと導電部材１１０の導電性表面１１０ａとの間隙における幅の狭い空間を伝搬する電磁波を模式的に示している。 図５Ｂは、中空導波管１３０の断面を模式的に示す図である。 図５Ｃは、導電部材１２０上に２個の導波部材１２２が設けられている形態を示す断面図である。 図５Ｄは、２つの中空導波管１３０を並べて配置した導波路装置の断面を模式的に示す図である。 図６Ａは、ＷＲＧの構造を利用したスロットアレーアンテナ２００（比較例）の構成の一部を模式的に示す斜視図である。 図６Ｂは、スロットアレーアンテナ２００におけるＸ方向に並ぶ２つのスロット１１２の中心を通るＸＺ面に平行な断面の一部を模式的に示す図である。 図７Ａは、本開示の例示的な実施形態におけるアンテナ装置３００の部分的な構成を模式的に示す斜視図である。 図７Ｂは、第１導電部材１１０、およびその上の導波部材１２２および複数の導電性ロッド１２４の配置を模式的に示す図である。 図７Ｃは、図７Ａに示すアンテナ装置３００を、スロット１１２の中心を通り、ＸＺ面に平行な平面で切断したときの断面を模式的に示す図である。 図７Ｄは、アンテナ装置３００を、スロット１１２の中心を通り、ＹＺ面に平行な平面で切断したときの断面を模式的に示す図である。 図８Ａは、導波部材１２２が導波面１２２ａに複数の凹部１２２ｄを有する例を示す斜視図である。 図８Ｂは、スロット１１２の中心を通り、ＹＺ面に平行なスロットアンテナ装置３００の断面を示す図である。 図９Ａは、本開示の他の実施形態におけるスロットアレーアンテナの構造を模式的に示す断面図である。 図９Ｂは、本開示のさらに他の実施形態におけるスロットアンテナ装置を示す断面図である。 図９Ｃは、本開示のさらに他の実施形態におけるスロットアレーアンテナの構造を模式的に示す断面図である。 図９Ｄは、本開示のさらに他の実施形態におけるスロットアレーアンテナの構造を模式的に示す断面図である。 図９Ｅは、本開示のさらに他の実施形態におけるスロットアレーアンテナの構造を模式的に示す断面図である。 図９Ｆは、本開示のさらに他の実施形態におけるスロットアレーアンテナの構造を模式的に示す断面図である。 図１０は、図９Ｃに示す構成における導波路のキャパシタンスのＹ方向の依存性を模式的に示すグラフである。 図１１は、図９Ｆに示す構成における導波路のキャパシタンスのＹ方向の依存性を模式的に示すグラフである。 図１２は、本開示のさらに他の実施形態を模式的に示す断面図である。 図１３Ａは、本開示のさらに他の実施形態を模式的に示す断面図である。 図１３Ｂは、本開示のさらに他の実施形態を模式的に示す断面図である。 図１３Ｃは、本開示のさらに他の実施形態を模式的に示す断面図である。 図１３Ｄは、本開示のさらに他の実施形態を模式的に示す断面図である。 図１４Ａは、導波部材１２２のさらに他の構造の例を示す図である。 図１４Ｂは、導波部材１２２のさらに他の構造の例を示す図である。 図１５Ａは、本開示の第１の実施形態におけるアンテナ装置３００の構成の一部を模式的に示す平面図である。 図１５Ｂは、アンテナ装置３００における第１導電部材１１０およびその上の導波部材１２２の構造をより詳細に示す斜視図である。 図１５Ｃは、複数のスロット１１２の中心を通り、ＹＺ面に平行な断面で切断したときのアンテナ装置３００の断面の構造を模式的に示す図である。 図１５Ｄは、実施形態１における複数の放射素子のうちの隣り合う２つの放射素子を示す斜視図である。 図１６Ａは、実施形態２におけるアンテナ装置３００の構成の一部を示す平面図である。 図１６Ｂは、４個の放射素子のうちの２個の放射素子を示す斜視図である。 図１７は、実施形態２の変形例に係る２個の放射素子を示す斜視図である。 図１８Ａは、実施形態２の他の変形例に係る放射素子を示す斜視図である。 図１８Ｂは、実施形態２の他の変形例に係る放射素子の内部を示す斜視図である。 図１９は、Ｈ形状の複数のスロット１１２の周囲に複数のホーン１１４がそれぞれ設けられたスロットアンテナ装置３００における第１導電部材１１０を背面側から見た図である。 図２０は、図１９におけるＡ−Ａ線断面図である。 図２１Ａは、実施形態３におけるアンテナ装置３００の構成を模式的に示す断面図である。 図２１Ｂは、実施形態３の第１の変形例を示す断面図である。 図２１Ｃは、実施形態３の他の変形例を示す断面図である。 図２２は、複数の導波部材１２２を備えるアンテナ装置３００の一例を示す斜視図である。 図２３は、ポート１４５またはスロット１１２の断面形状の例をより詳細に説明するための図である。 図２４Ａは、導波部材１２２の上面である導波面１２２ａのみが導電性を有し、導波部材１２２の導波面１２２ａ以外の部分は導電性を有していない構造の例を示す断面図である。 図２４Ｂは、導波部材１２２が導電部材１２０上に形成されていない変形例を示す図である。 図２４Ｃは、導電部材１２０、導波部材１２２、および複数の導電性ロッド１２４の各々が、誘電体の表面に金属などの導電性材料がコーティングされた構造の例を示す図である。 図２４Ｄは、導電部材１１０、１２０、導波部材１２２、および導電性ロッド１２４の各々の最表面に、誘電体の層１１０ｃ、１２０ｃを有する構造の例を示す図である。 図２４Ｅは、導電部材１１０、１２０、導波部材１２２、および導電性ロッド１２４の各々の最表面に、誘電体の層１１０ｃ、１２０ｃを有する構造の他の例を示す図である。 図２４Ｆは、導波部材１２２の高さが導電性ロッド１２４の高さよりも低く、導電部材１１０の導電性表面１１０ａのうち、導波面１２２ａに対向する部分が、導波部材１２２の側に突出している例を示す図である。 図２４Ｇは、図２４Ｆの構造において、さらに、導電性表面１１０ａのうち導電性ロッド１２４に対向する部分が、導電性ロッド１２４の側に突出している例を示す図である。 図２５Ａは、導電部材１１０の導電性表面１１０ａが曲面形状を有する例を示す図である。 図２５Ｂは、さらに、導電部材１２０の導電性表面１２０ａも曲面形状を有する例を示す図である。 図２６は、自車両５００と、自車両５００と同じ車線を走行している先行車両５０２とを示す。 図２７は、自車両５００の車載レーダシステム５１０を示す。 図２８Ａは、車載レーダシステム５１０のアレーアンテナＡＡと、複数の到来波ｋとの関係を示している。 図２８Ｂは、ｋ番目の到来波を受信するアレーアンテナＡＡを示している。 図２９は、本開示による車両走行制御装置６００の基本構成の一例を示すブロック図である。 図３０は、車両走行制御装置６００の構成の他の例を示すブロック図である。 図３１は、車両走行制御装置６００のより具体的な構成の例を示すブロック図である。 図３２は、本応用例におけるレーダシステム５１０のより詳細な構成例を示すブロック図である。 図３３は、三角波生成回路５８１が生成した信号に基づいて変調された送信信号の周波数変化を示している。 図３４は、「上り」の期間におけるビート周波数ｆｕ、および「下り」の期間におけるビート周波数ｆｄを示している。 図３５は、信号処理回路５６０がプロセッサＰＲおよびメモリ装置ＭＤを備えるハードウェアによって実現されている形態の例を示している。 図３６は、３つの周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の関係を示す図である。 図３７は、複素平面上の合成スペクトルＦ１〜Ｆ３の関係を示す図である。 図３８は、相対速度および距離を求める処理の手順を示すフローチャートである。 図３９は、スロットアレーアンテナを有するレーダシステム５１０、および車載カメラシステム７００を備えるフュージョン装置に関する図である。 図４０は、ミリ波レーダ５１０とカメラを車室内のほぼ同じ位置に置くことで、それぞれの視野・視線が一致し、照合処理が容易になることを示す図である。 図４１は、ミリ波レーダによる監視システム１５００の構成例を示す図である。 図４２は、デジタル式通信システム８００Ａの構成を示すブロック図である。 図４３は、電波の放射パターンを変化させることのできる送信機８１０Ｂを含む通信システム８００Ｂの例を示すブロック図である。 図４４は、ＭＩＭＯ機能を実装した通信システム８００Ｃの例を示すブロック図である。
本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。
前述の特許文献１から３、ならびに非特許文献１および２に開示されているリッジ導波路は、人工磁気導体として機能するワッフルアイアン構造中に設けられている。このような人工磁気導体を、本開示に基づき利用するリッジ導波路（以下、ＷＲＧ：Ｗａｆｆｌｅ−ｉｒｏｎ Ｒｉｄｇｅ ｗａｖｅＧｕｉｄｅと称する場合がある。）は、マイクロ波またはミリ波帯において、損失の低いアンテナ給電路を実現できる。このようなリッジ導波路を利用することにより、アンテナ素子を高密度に配置することも可能である。以下、そのような導波路構造の基本的な構成および動作の例を説明する。
人工磁気導体は、自然界には存在しない完全磁気導体（ＰＭＣ: Ｐｅｒｆｅｃｔ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）の性質を人工的に実現した構造体である。完全磁気導体は、「表面における磁界の接線成分がゼロになる」という性質を有している。これは、完全導体（ＰＥＣ: Ｐｅｒｆｅｃｔ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）の性質、すなわち、「表面における電界の接線成分がゼロになる」という性質とは反対の性質である。完全磁気導体は、自然界には存在しないが、例えば複数の導電性ロッドの配列のような人工的な構造によって実現され得る。人工磁気導体は、その構造によって定まる特定の周波数帯域において、完全磁気導体として機能する。人工磁気導体は、特定の周波数帯域（伝搬阻止帯域）に含まれる周波数を有する電磁波が人工磁気導体の表面に沿って伝搬することを抑制または阻止する。このため、人工磁気導体の表面は、高インピーダンス面と呼ばれることがある。
特許文献１から３、ならびに非特許文献１および２に開示されている導波路装置では、行および列方向に配列された複数の導電性ロッドによって人工磁気導体が実現されている。このようなロッドは、ポストまたはピンと呼ばれることもある突出部である。これらの導波路装置のそれぞれは、全体として、対向する一対の導電プレートを備えている。一方の導電プレートは、他方の導電プレートの側に突出するリッジと、リッジの両側に位置する人工磁気導体とを有している。リッジの上面（導電性を有する面）は、ギャップを介して、他方の導電プレートの導電性表面に対向している。人工磁気導体の伝搬阻止帯域に含まれる波長を有する電磁波（信号波）は、この導電性表面とリッジの上面との間の空間（ギャップ）をリッジに沿って伝搬する。
図１は、このような導波路装置が備える基本構成の限定的ではない例を模式的に示す斜視図である。図１には、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ方向を示すＸＹＺ座標が示されている。図示されている導波路装置１００は、対向して平行に配置された板形状（プレート状）の導電部材１１０および１２０を備えている。導電部材１２０には複数の導電性ロッド１２４が配列されている。
なお、本願の図面に示される構造物の向きは、説明のわかりやすさを考慮して設定されており、本開示の実施形態が現実に実施されるときの向きをなんら制限するものではない。また、図面に示されている構造物の全体または一部分の形状および大きさも、現実の形状および大きさを制限するものではない。
図２Ａは、導波路装置１００のＸＺ面に平行な断面の構成を模式的に示す図である。図２Ａに示されるように、導電部材１１０は、導電部材１２０に対向する側に導電性表面１１０ａを有している。導電性表面１１０ａは、導電性ロッド１２４の軸方向（Ｚ方向）に直交する平面（ＸＹ面に平行な平面）に沿って二次元的に拡がっている。この例における導電性表面１１０ａは平滑な平面であるが、後述するように、導電性表面１１０ａは平面である必要は無い。
図３は、わかり易さのため、導電部材１１０と導電部材１２０との間隔を極端に離した状態にある導波路装置１００を模式的に示す斜視図である。現実の導波路装置１００では、図１および図２Ａに示したように、導電部材１１０と導電部材１２０との間隔は狭く、導電部材１１０は、導電部材１２０の全ての導電性ロッド１２４を覆うように配置されている。
図１から図３は、導波路装置１００の一部分のみを示している。導電部材１１０、１２０、導波部材１２２、および複数の導電性ロッド１２４は、実際には、図示されている部分の外側にも拡がって存在する。導波部材１２２の端部には、後述するように、電磁波が外部空間に漏洩することを防止するチョーク構造が設けられる。チョーク構造は、例えば、導波部材１２２の端部に隣接して配置された導電性ロッドの列を含む。
再び図２Ａを参照する。導電部材１２０上に配列された複数の導電性ロッド１２４は、それぞれ、導電性表面１１０ａに対向する先端部１２４ａを有している。図示されている例において、複数の導電性ロッド１２４の先端部１２４ａは同一平面上にある。この平面は人工磁気導体の表面１２５を形成している。導電性ロッド１２４は、その全体が導電性を有している必要はなく、ロッド状構造物の少なくとも上面および側面に沿って拡がる導電層があればよい。この導電層はロッド状構造物の表層に位置してもよいが、表層が絶縁塗装または樹脂層からなり、ロッド状構造物の表面には導電層が存在していなくてもよい。また、導電部材１２０は、複数の導電性ロッド１２４を支持して人工磁気導体を実現できれば、その全体が導電性を有している必要はない。導電部材１２０の表面のうち、複数の導電性ロッド１２４が配列されている側の面１２０ａが導電性を有し、隣接する複数の導電性ロッド１２４の表面が導電体によって電気的に接続されていればよい。第２導電部材１２０の導電性を有する層は、絶縁塗装や樹脂層で覆われていてもよい。言い換えると、導電部材１２０および複数の導電性ロッド１２４の組み合わせの全体は、導電部材１１０の導電性表面１１０ａに対向する凹凸状の導電層を有していればよい。
導電部材１２０上には、複数の導電性ロッド１２４の間にリッジ状の導波部材１２２が配置されている。より詳細には、導波部材１２２の両側にそれぞれ人工磁気導体が位置しており、導波部材１２２は両側の人工磁気導体によって挟まれている。図３からわかるように、この例における導波部材１２２は、導電部材１２０に支持され、Ｙ方向に直線的に延びている。図示されている例において、導波部材１２２は、導電性ロッド１２４の高さおよび幅と同一の高さおよび幅を有している。後述するように、導波部材１２２の高さおよび幅は、導電性ロッド１２４の高さおよび幅とは異なる値を有していてもよい。導波部材１２２は、導電性ロッド１２４とは異なり、導電性表面１１０ａに沿って電磁波を案内する方向（この例ではＹ方向）に延びている。導波部材１２２も、全体が導電性を有している必要は無く、導電部材１１０の導電性表面１１０ａに対向する導電性の導波面１２２ａを有していればよい。導電部材１２０、複数の導電性ロッド１２４、および導波部材１２２は、連続した単一構造体の一部であってもよい。さらに、導電部材１１０も、この単一構造体の一部であってもよい。
導波部材１２２の両側において、各人工磁気導体の表面１２５と導電部材１１０の導電性表面１１０ａとの間の空間は、特定周波数帯域内の周波数を有する電磁波を伝搬させない。そのような周波数帯域は「禁止帯域」と呼ばれる。導波路装置１００内を伝搬する電磁波（信号波）の周波数（以下、「動作周波数」と称することがある。）が禁止帯域に含まれるように人工磁気導体は設計される。禁止帯域は、導電性ロッド１２４の高さ、すなわち、隣接する複数の導電性ロッド１２４の間に形成される溝の深さ、導電性ロッド１２４の幅、配置間隔、および導電性ロッド１２４の先端部１２４ａと導電性表面１１０ａとの間隙の大きさによって調整され得る。
次に、図４を参照しながら、各部材の寸法、形状、配置等の例を説明する。
図４は、図２Ａに示す構造における各部材の寸法の範囲の例を示す図である。導波路装置は、所定の帯域（「動作周波数帯域」と称する。）の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられる。本明細書において、導電部材１１０の導電性表面１１０ａと導波部材１２２の導波面１２２ａとの間の導波路を伝搬する電磁波（信号波）の自由空間における波長の代表値（例えば、動作周波数帯域の中心周波数に対応する中心波長）をλｏとする。また、動作周波数帯域における最高周波数の電磁波の自由空間における波長をλｍとする。各導電性ロッド１２４のうち、導電部材１２０に接している方の端の部分を「基部」と称する。図４に示すように、各導電性ロッド１２４は、先端部１２４ａと基部１２４ｂとを有する。各部材の寸法、形状、配置等の例は、以下のとおりである。
（１）導電性ロッドの幅
導電性ロッド１２４の幅（Ｘ方向およびＹ方向のサイズ）は、λｍ／２未満に設定され得る。この範囲内であれば、Ｘ方向およびＹ方向における最低次の共振の発生を防ぐことができる。なお、ＸおよびＹ方向だけでなくＸＹ断面の対角方向でも共振が起こる可能性があるため、導電性ロッド１２４のＸＹ断面の対角線の長さもλｍ／２未満であることが好ましい。ロッドの幅および対角線の長さの下限値は、工法的に作製できる最小の長さであり、特に限定されない。
（２）導電性ロッドの基部から導電部材１１０の導電性表面までの距離
導電性ロッド１２４の基部１２４ｂから導電部材１１０の導電性表面１１０ａまでの距離は、導電性ロッド１２４の高さよりも長く、かつλｍ／２未満に設定され得る。当該距離がλｍ／２以上の場合、導電性ロッド１２４の基部１２４ｂと導電性表面１１０ａとの間において共振が生じ、信号波の閉じ込め効果が失われる。
導電性ロッド１２４の基部１２４ｂから導電部材１１０の導電性表面１１０ａまでの距離は、導電部材１１０と導電部材１２０との間隔に相当する。例えば導波路をミリ波帯である７６．５±０．５ＧＨｚの信号波が伝搬する場合、信号波の波長は、３．８９３４ｍｍから３．９４４６ｍｍの範囲内である。したがって、この場合、λｍは３．８９３４ｍｍとなるので、導電部材１１０と導電部材１２０との間隔は、３．８９３４ｍｍの半分よりも小さく設計される。導電部材１１０と導電部材１２０とが、このような狭い間隔を実現するように対向して配置されていれば、導電部材１１０と導電部材１２０とが厳密に平行である必要はない。また、導電部材１１０と導電部材１２０との間隔がλｍ／２未満であれば、導電部材１１０および／または導電部材１２０の全体または一部が曲面形状を有していてもよい。他方、導電部材１１０、１２０の平面形状（ＸＹ面に垂直に投影した領域の形状）および平面サイズ（ＸＹ面に垂直に投影した領域のサイズ）は、用途に応じて任意に設計され得る。
図２Ａに示される例において、導電性表面１２０ａは平面であるが、本開示の実施形態はこれに限られない。例えば、図２Ｂに示すように、導電性表面１２０ａは断面がＵ字またはＶ字に近い形状である面の底部であってもよい。導電性ロッド１２４または導波部材１２２が、基部に向かって幅が拡大する形状をもつ場合に、導電性表面１２０ａはこのような構造になる。このような構造であっても、導電性表面１１０ａと導電性表面１２０ａとの間の距離が波長λｍの半分よりも短ければ、図２Ｂに示す装置は、本開示の実施形態における導波路装置として機能し得る。
（３）導電性ロッドの先端部から導電性表面までの距離Ｌ２
導電性ロッド１２４の先端部１２４ａから導電性表面１１０ａまでの距離Ｌ２は、λｍ／２未満に設定される。当該距離がλｍ／２以上の場合、導電性ロッド１２４の先端部１２４ａと導電性表面１１０ａとの間を電磁波が往復する伝搬モードが生じ、電磁波を閉じ込められなくなるからである。なお、複数の導電性ロッド１２４のうち、少なくとも導波部材１２２と隣り合うものについては、先端が導電性表面１１０ａとは電気的には接触していない状態にある。ここで、導電性ロッドの先端が導電性表面に電気的に接触していない状態とは、先端と導電性表面との間に空隙がある状態、あるいは、導電性ロッドの先端と導電性表面とのいずれかに絶縁層が存在し、導電性ロッドの先端と導電性表面が絶縁層を間に介して接触している状態、のいずれかを指す。
（４）導電性ロッドの配列および形状
複数の導電性ロッド１２４のうちの隣接する２つの導電性ロッド１２４の間の隙間は、例えばλｍ／２未満の幅を有する。隣接する２つの導電性ロッド１２４の間の隙間の幅は、当該２つの導電性ロッド１２４の一方の表面（側面）から他方の表面（側面）までの最短距離によって定義される。このロッド間の隙間の幅は、ロッド間の領域で最低次の共振が起こらないように決定される。共振が生じる条件は、導電性ロッド１２４の高さ、隣接する２つの導電性ロッド間の距離、および導電性ロッド１２４の先端部１２４ａと導電性表面１１０ａとの間の空隙の容量の組み合わせによって決まる。よって、ロッド間の隙間の幅は、他の設計パラメータに依存して適宜決定される。ロッド間の隙間の幅には明確な下限はないが、製造の容易さを確保するために、ミリ波帯の電磁波を伝搬させる場合には、例えばλｍ／１６以上であり得る。なお、隙間の幅は一定である必要はない。λｍ／２未満であれば、導電性ロッド１２４の間の隙間は様々な幅を有していてもよい。
複数の導電性ロッド１２４の配列は、人工磁気導体としての機能を発揮する限り、図示されている例に限定されない。複数の導電性ロッド１２４は、直交する行および列状に並んでいる必要は無く、行および列は９０度以外の角度で交差していてもよい。複数の導電性ロッド１２４は、行または列に沿って直線上に配列されている必要は無く、単純な規則性を示さずに分散して配置されていてもよい。各導電性ロッド１２４の形状およびサイズも、導電部材１２０上の位置に応じて変化していてよい。
複数の導電性ロッド１２４の先端部１２４ａが形成する人工磁気導体の表面１２５は、厳密に平面である必要は無く、微細な凹凸を有する平面または曲面であってもよい。すなわち、各導電性ロッド１２４の高さが一様である必要はなく、導電性ロッド１２４の配列が人工磁気導体として機能し得る範囲内で個々の導電性ロッド１２４は多様性を持ち得る。
各導電性ロッド１２４は、図示されている角柱形状に限らず、例えば円筒状の形状を有していてもよい。さらに、各導電性ロッド１２４は、単純な柱状の形状を有している必要はない。人工磁気導体は、導電性ロッド１２４の配列以外の構造によっても実現することができ、多様な人工磁気導体を本開示の導波路装置に利用することができる。なお、導電性ロッド１２４の先端部１２４ａの形状が角柱形状である場合は、その対角線の長さはλｍ／２未満であることが好ましい。楕円形状であるときは、長軸の長さがλｍ／２未満であることが好ましい。先端部１２４ａがさらに他の形状をとる場合でも、その差し渡し寸法は一番長い部分でもλｍ／２未満であることが好ましい。
導電性ロッド１２４（特に、導波部材１２２に隣接する導電性ロッド１２４）の高さ、すなわち、基部１２４ｂから先端部１２４ａまでの長さは、導電性表面１１０ａと導電性表面１２０ａとの間の距離（λｍ／２未満）よりも短い値、例えば、λｏ／４に設定され得る。
（５）導波面の幅
導波部材１２２の導波面１２２ａの幅、すなわち、導波部材１２２が延びる方向に直交する方向における導波面１２２ａのサイズは、λｍ／２未満（例えばλｏ／８）に設定され得る。導波面１２２ａの幅がλｍ／２以上になると、幅方向で共振が起こり、共振が起こるとＷＲＧは単純な伝送線路としては動作しなくなるからである。
（６）導波部材の高さ
導波部材１２２の高さ（図示される例ではＺ方向のサイズ）は、λｍ／２未満に設定される。当該距離がλｍ／２以上の場合、導電性ロッド１２４の基部１２４ｂと導電性表面１１０ａとの距離がλｍ／２以上となるからである。同様に、導電性ロッド１２４（特に、導波部材１２２に隣接する導電性ロッド１２４）の高さについても、λｍ／２未満に設定される。
（７）導波面と導電性表面との間の距離Ｌ１
導波部材１２２の導波面１２２ａと導電性表面１１０ａとの間の距離Ｌ１については、λｍ／２未満に設定される。当該距離がλｍ／２以上の場合、導波面１２２ａと導電性表面１１０ａとの間で共振が起こり、導波路として機能しなくなるからである。ある例では、当該距離Ｌ１はλｍ／４以下である。製造の容易さを確保するために、ミリ波帯の電磁波を伝搬させる場合には、距離Ｌ１を、例えばλｍ／１６以上とすることが好ましい。
導電性表面１１０ａと導波面１２２ａとの距離Ｌ１の下限、および導電性表面１１０ａと導電性ロッド１２４の先端部１２４ａとの距離Ｌ２の下限は、機械工作の精度と、上下の２つの導電部材１１０、１２０を一定の距離に保つように組み立てる際の精度とに依存する。プレス工法またはインジェクション工法を用いた場合、上記距離の現実的な下限は５０マイクロメートル（μｍ）程度である。ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術を用いて例えばテラヘルツ領域の製品を作る場合には、上記距離の下限は、２〜３μｍ程度である。
上記の構成を有する導波路装置１００によれば、動作周波数の信号波は、人工磁気導体の表面１２５と導電部材１１０の導電性表面１１０ａとの間の空間を伝搬することはできず、導波部材１２２の導波面１２２ａと導電部材１１０の導電性表面１１０ａとの間の空間を伝搬する。このような導波路構造における導波部材１２２の幅は、中空導波管とは異なり、伝搬すべき電磁波の半波長以上の幅を有する必要はない。また、導電部材１１０と導電部材１２０とを厚さ方向（ＹＺ面に平行）に延びる金属壁によって接続する必要もない。
図５Ａは、導波部材１２２の導波面１２２ａと導電部材１１０の導電性表面１１０ａとの間隙における幅の狭い空間を伝搬する電磁波を模式的に示している。図５Ａにおける３本の矢印は、伝搬する電磁波の電界の向きを模式的に示している。伝搬する電磁波の電界は、導電部材１１０の導電性表面１１０ａおよび導波面１２２ａに対して垂直である。
導波部材１２２の両側には、それぞれ、複数の導電性ロッド１２４によって形成された人工磁気導体が配置されている。電磁波は導波部材１２２の導波面１２２ａと導電部材１１０の導電性表面１１０ａとの間隙を伝搬する。図５Ａは、模式的であり、電磁波が現実に作る電磁界の大きさを正確には示していない。導波面１２２ａ上の空間を伝搬する電磁波（電磁界）の一部は、導波面１２２ａの幅によって区画される空間から外側（人工磁気導体が存在する側）に横方向に拡がっていてもよい。この例では、電磁波は、図５Ａの紙面に垂直な方向（Ｙ方向）に伝搬する。このような導波部材１２２は、Ｙ方向に直線的に延びている必要は無く、不図示の屈曲部および／または分岐部を有し得る。電磁波は導波部材１２２の導波面１２２ａに沿って伝搬するため、屈曲部では伝搬方向が変わり、分岐部では伝搬方向が複数の方向に分岐する。
図５Ａの導波路構造では、伝搬する電磁波の両側に、中空導波管では不可欠の金属壁（電気壁）が存在していない。このため、この例における導波路構造では、伝搬する電磁波が作る電磁界モードの境界条件に「金属壁（電気壁）による拘束条件」が含まれず、導波面１２２ａの幅（Ｘ方向のサイズ）は、電磁波の波長の半分未満である。
図５Ｂは、参考のため、中空導波管１３０の断面を模式的に示している。図５Ｂには、中空導波管１３０の内部空間１３２に形成される電磁界モード（ＴＥ１０）の電界の向きが矢印によって模式的に表されている。矢印の長さは電界の強さに対応している。中空導波管１３０の内部空間１３２の幅は、波長の半分よりも広く設定されなければならない。すなわち、中空導波管１３０の内部空間１３２の幅は、伝搬する電磁波の波長の半分よりも小さく設定され得ない。
図５Ｃは、導電部材１２０上に２個の導波部材１２２が設けられている形態を示す断面図である。このように隣接する２個の導波部材１２２の間には、複数の導電性ロッド１２４によって形成される人工磁気導体が配置されている。より正確には、各導波部材１２２の両側に複数の導電性ロッド１２４によって形成される人工磁気導体が配置され、各導波部材１２２が独立した電磁波の伝搬を実現することが可能である。
図５Ｄは、参考のため、２つの中空導波管１３０を並べて配置した導波路装置の断面を模式的に示している。２つの中空導波管１３０は、相互に電気的に絶縁されている。電磁波が伝搬する空間の周囲が、中空導波管１３０を構成する金属壁で覆われている必要がある。このため、電磁波が伝搬する内部空間１３２の間隔を、金属壁の２枚の厚さの合計よりも短縮することはできない。金属壁の２枚の厚さの合計は、通常、伝搬する電磁波の波長の半分よりも長い。したがって、中空導波管１３０の配列間隔（中心間隔）を、伝搬する電磁波の波長よりも短くすることは困難である。特に、電磁波の波長が１０ｍｍ以下となるミリ波帯、あるいはそれ以下の波長の電磁波を扱う場合は、波長に比して十分に薄い金属壁を形成することが難しくなる。このため、商業的に現実的なコストで実現することが困難になる。
これに対して、人工磁気導体を備える導波路装置１００は、導波部材１２２を近接させた構造を容易に実現することができる。このため、複数のアンテナ素子が近接して配置されたアレーアンテナへの給電に好適に用いられ得る。
図６Ａは、上記のような導波路構造を利用したスロットアレーアンテナ２００（比較例）の構成例を模式的に示す斜視図である。図６Ｂは、このスロットアレーアンテナ２００におけるＸ方向に並ぶ２つのスロット１１２の中心を通るＸＺ面に平行な断面の一部を模式的に示す図である。このスロットアレーアンテナ２００においては、第１の導電部材１１０が、Ｘ方向およびＹ方向に配列された複数のスロット１１２を有している。この例では、複数のスロット１１２は２つのスロット列を含む。各スロット列は、Ｙ方向に等間隔に並ぶ６個のスロット１１２を含んでいる。第２導電部材１２０には、Ｙ方向に延びる２つの導波部材１２２が設けられている。各導波部材１２２は、１つのスロット列に対向する導電性の導波面１２２ａを有する。２つの導波部材１２２の間の領域、および２つの導波部材１２２の外側の領域には、複数の導電性ロッド１２４が配置されている。これらの導電性ロッド１２４は、人工磁気導体を形成している。
各導波部材１２２の導波面１２２ａと、導電部材１１０の導電性表面１１０ａとの間の導波路には、不図示の送信回路から電磁波が供給される。Ｙ方向に並ぶ複数のスロット１１２のうちの隣接する２つのスロット１１２の中心間の距離は、例えば、導波路を伝搬する電磁波の波長と同じ値に設計される。これにより、Ｙ方向に並ぶ６個のスロット１１２から、位相の揃った電磁波が放射される。
図６Ａおよび図６Ｂに示すスロットアレーアンテナ２００は、複数のスロット１１２の各々を放射素子とするアンテナアレイである。このようなスロットアレーアンテナ２００の構成によれば、Ｘ方向における放射素子間の中心間隔を、例えば導波路を伝搬する電磁波の自由空間における波長λｏよりも短くすることができる。
本発明者らは、上記のようなスロットアレーアンテナ２００とは異なる構造によっても損失の低いアンテナ装置を実現し得ることを見出した。以下、本開示の実施形態の構成例を説明する。
＜スロットアンテナ装置の構成例＞
まず、図７Ａから図７Ｄを参照して、本開示の例示的な実施形態におけるスロットアンテナ装置３００（以下、単に「アンテナ装置３００」とも称する。）の構成を説明する。本開示において、便宜上、アンテナ装置３００から放射される電磁波、またはアンテナ装置３００に入射する電磁波が伝搬する自由空間が位置する側を「正面側」と称し、その反対の側を「背面側」と称する。本開示において、「第１（の）〜」、「第２（の）〜」などの用語は、部材、装置、部品、部分、層、領域等を区別するためにのみ用いられ、限定的な意味を有しない。
図７Ａは、本開示の例示的な実施形態におけるアンテナ装置３００の構成の一部を模式的に示す斜視図である。アンテナ装置３００は、互いに対向する第１導電部材１１０および第２導電部材１２０を備えている。第１導電部材１１０はスロット１１２を有している。この実施形態では、前述の比較例とは異なり、導波部材１２２および複数の導電性ロッド１２４が、第２導電部材１２０ではなく、第１導電部材１１０に接続されている。
図７Ｂは、第１導電部材１１０、導波部材１２２、および複数の導電性ロッド１２４の配置を模式的に示している。導波部材１２２は、第１導電部材１１０に設けられた導電性の表面を有するリッジ状の部材であり、スロット１１２の位置で、第１リッジ１２２Ａと、第２リッジ１２２Ｂとに分断されている。この例における第１リッジ１２２Ａおよび第２リッジ１２２Ｂの各々は、中央部に凸部１２２ｂを有している。
図７Ｃは、図７Ａに示すアンテナ装置３００を、スロット１１２の中心を通り、ＸＺ面に平行な平面で切断したときの断面を模式的に示す図である。図７Ｄは、アンテナ装置３００を、スロット１１２の中心を通り、ＹＺ面に平行な平面で切断したときの断面を模式的に示す図である。図７Ｄでは、導波部材１２２の断面のみがハッチングで示されている。以降の図でも、同様の表現をすることがある。
第１導電部材１１０は、正面側の第１導電性表面１１０ｂおよび背面側の第２導電性表面１１０ａを有する。第１導電部材１１０は、第１導電性表面１１０ｂから第２導電性表面１１０ａまで貫通する少なくとも１つのスロット１１２を備える。この例における第１導電部材１１０は１個のスロット１１２を有しているが、先の比較例のように、第１導電部材１１０は複数のスロット１１２を有していてもよい。
第２導電部材１２０は、第１導電部材１１０の背面側に位置する。第２導電部材１２０は、第２導電性表面１１０ａに対向する正面側の第３導電性表面１２０ａを有する。
図７Ｄに示すように、導波部材１２２は、第１導電部材１１０の第２導電性表面１１０ａ上にある。導波部材１２２は、第２導電部材１２０の第３導電性表面１２０ａに対向する導電性の導波面１２２ａを有する。導波部材１２２は、第３導電性表面１２０ａに沿って延びている。導波部材１２２の導波面１２２ａは、第３導電性表面１２０ａに沿って延びるストライプ形状（「ストリップ形状」と称することもある。）を有する。
本明細書において「ストライプ形状」とは、縞（stripes）の形状を意味するのではなく、単一のストライプ（a stripe）の形状を意味する。一方向に直線的に延びる形状だけでなく、途中で曲がったり、分岐したりする形状も「ストライプ形状」に含まれる。導波面１２２ａが高さまたは幅の変化する部分を有している場合も、導波面１２２ａの法線方向から見て一方向に沿って延びる部分を有していれば、「ストライプ形状」に該当する。
本実施形態における人工磁気導体は、複数の導電性ロッド１２４を含む。人工磁気導体は、導波部材１２２の両側に位置し、導波部材１２２に沿って伝搬する電磁波の漏洩を抑制する。図７Ｃに示すように、人工磁気導体は第２導電性表面１１０ａ上に配置されている。この例に限らず、人工磁気導体は、第３導電性表面１２０ａ上に配置されていてもよい。人工磁気導体は、第２導電性表面１１０ａおよび第３導電性表面１２０ａの少なくとも一方にあればよい。
第３導電性表面１２０ａ、導波面１２２ａ、および人工磁気導体は、第３導電性表面１２０ａと導波面１２２ａとの間隙に導波路を規定する。この導波路は、スロット１１２を介して外部空間と接続される。言い換えれば、スロット１１２は、外部空間に向けて開放されている。
図７Ｂおよび図７Ｄに示すように、導波部材１２２は、ある共通の線上に延びる第１リッジ１２２Ａおよび第２リッジ１２２Ｂを有する。「線上に延びる」とは、ある仮想的な線に沿って延びることを意味し、直線上に延びることだけでなく、曲線上または折れ線上に延びることを含む。第１リッジ１２２Ａの一端と、第２リッジ１２２Ｂの一端とは、対向している。ここで、２つのリッジの一端同士が対向するとは、それらのリッジの端面同士が向かい合っていることを意味する。
導波面１２２ａに垂直な方向から見て、スロット１１２は、第１リッジ１２２Ａの一端と第２リッジ１２２Ｂの一端との間に位置する。図７Ｄに示す例において、第１リッジ１２２Ａおよび第２リッジ１２２Ｂにおける互いに対向する端面１２２ｃは、スロット１１２の内壁面１１２ｃに繋がっている。図７Ｄに示す例では、スロット１１２の内壁面と、リッジ１２２Ａ、１２２Ｂの端面１２２ｃとの接続箇所において段差はないが、段差があってもよい。
第１リッジ１２２Ａの端面１２２ｃと、第２リッジ１２２Ｂの端面１２２ｃとの間隙の大きさは、導波面１２２ａに垂直な方向（Ｚ方向）に沿って変化していてもよい。例えば、信号波の反射を抑制するために、第１リッジ１２２Ａおよび第２リッジ１２２Ｂの間隙の大きさが部分的に調節されていてもよい。２つの端面１２２ｃの間隙の大きさは、導波面１２２ａと第３導電性表面１２０ａとの間の導波路が、２つの端面１２２ｃの間隙およびスロット１１２の内部を介して、外部空間と結合する大きさに設計される。
第１リッジ１２２Ａの導波面１２２ａと第３導電性表面１２０ａとの間の導波路、または第２リッジ１２２Ｂの導波面１２２ａと第３導電性表面１２０ａとの間の導波路は、不図示の送信機または受信機に接続されて使用される。送信時において、送信機から供給された電磁波は、当該導波路を伝搬し、２つのリッジ１２２Ａ、１２２Ｂの端面１２２ｃの間およびスロット１１２の内部を経て外部空間に放射される。受信時においては、外部空間からスロット１１２に入射した電磁波は、スロット１１２の内部、およびリッジ１２２Ａ、１２２Ｂの端面１２２ｃの間を経て、リッジ１２２Ａまたは１２２Ｂに沿って伝搬し、受信回路によって受信される。
この例における各リッジ１２２Ａ、１２２Ｂは、中央部に凸部１２２ｂを有している。凸部１２２ｂは、導波面１２２ａと第３導電性表面１２０ａとの間隔を狭める。これらの凸部１２２ｂは、導波面１２２ａと第３導電性表面１２０ａとの間の導波路を伝搬する信号波の波長または位相を調整するために設けられている。凸部１２２ｂを設けることにより、導波面１２２ａと第３導電性表面１２０ａとの間の導波路のキャパシタンスが局所的に増加し、信号波の波長が短縮する効果が得られる。この効果により、例えば送信時において、スロット１１２の位置における信号波の位相を、所望の放射特性が実現するように調整することができる。このような構造は、例えば第１導電部材１１０がＹ方向に並ぶ複数のスロット１１２を備えている構成において、全てのスロット１１２から位相の揃った信号波を放射させる用途で特に有効である。凸部１２２ｂを設けることにより、導波路内の信号波の波長が短縮するため、スロット間隔を短縮することができる。
このような位相の調整は、導波面１２２ａに凸部１２２ｂが配置された構成に限らず、他の構成でも可能である。例えば、導波面１２２ａに少なくとも１つの凹部が配置された構成でも同様の効果を得ることができる。
図８Ａは、導波部材１２２が導波面１２２ａに複数の凹部１２２ｄを有する例を示す斜視図である。図８Ａは、第１導電部材１１０と、その上の導波部材１２２におけるリッジ１２２Ａ、１２２Ｂおよび複数の導電性ロッド１２４の配置の例を示している。図８Ｂは、スロット１１２の中心を通り、ＹＺ面に平行なスロットアンテナ装置３００の断面を示す図である。
この例においては、導波部材１２２は、導波面１２２ａと第３導電性表面１２０ａとの間隔を広げる複数の凹部１２２ｄを有している。凹部１２２ｄのうちの２つは、第１リッジ１２２Ａの中央部と両端部との間に配置されている。凹部１２２ｄのうちの残りの２つは、第２リッジ１２２Ｂの中央部と両端部との間に配置されている。このような凹部１２２ｄを導波面１２２ａに設けることにより、導波面１２２ａと第３導電性表面１２０ａとの間の導波路のインダクタンスが局所的に増加し、信号波の波長を短縮させる効果が得られる。この効果により、例えば送信時において、各スロット１１２の位置における信号波の位相を、所望の放射特性が実現するように調整することができる。
上記の各例における凸部１２２ｂまたは凹部１２２ｄは、導波面１２２ａではなく第３導電性表面１２０ａに設けられていてもよい。そのような構成であっても、導波面１２２ａに凸部１２２ｂまたは凹部１２２ｄが設けられた構成と同様の効果を得ることができる。凸部１２２ｂまたは凹部１２２ｄは、導波面１２２ａおよび第３導電性表面１２０ａの両方に設けられていてもよい。
前述の波長または位相の調整の効果は、凸部１２２ｂまたは凹部１２２ｄを設ける代わりに、導波面１２２ａの幅を導波面１２２ａが延びる方向に沿って変動させた場合でも得ることができる。導波面１２２ａの幅が隣り合う部位よりも広い幅広部を設けた場合、凸部１２２ｂを設けた場合と同様の作用をもたらす。導波面１２２ａの幅が隣り合う部位よりも狭い狭小部を設けた場合、凹部１２２ｄを設けた場合と同様の作用をもたらす。導波部材１２２が幅広部または狭小部を有する構成により、上記と同様の波長または位相の調整が可能である。凸部、凹部、幅広部、および狭小部のうちのいずれか２つ以上を組み合わせた構造を用いてもよい。
このように、本開示の実施形態におけるスロットアンテナ装置では、導波面１２２ａと第３導電性表面１２０ａとの間隔、および導波面１２２ａの幅の少なくとも一方が、導波部材１２２または導波路が延びる方向に沿って変動している。ある実施形態では、第２導電部材１２０および導波部材１２２の少なくとも一方は、少なくとも１つの凸部または少なくとも１つの凹部を有する。他の実施形態では、導波部材１２２は、少なくとも１つの幅広部または少なくとも１つの狭小部を有する。導波面１２２ａと第３導電性表面１２０ａとの間隔、または導波面１２２ａの幅は、導波路が延びる方向に沿って周期的に変動していてもよいし、非周期的に（aperiodically）変動していてもよい。導波面１２２ａおよび第３導電性表面１２０ａは、スロットアンテナ装置３００に要求される放射特性または受信特性に応じて多様な構造をとり得る。
＜複数のスロットを有するスロットアンテナ装置の構成例＞
本開示の実施形態による波長または位相の調整機能は、複数のスロットを放射素子として有するスロットアンテナ装置において特に有効である。以下、そのようなスロットアンテナ装置についてより詳細に説明する。以下の各例の構成は、矛盾がない限り、単一のスロットを有するスロットアンテナ装置においても適用できる。また、以下の各例の構成を適宜組み合わせてもよい。以下の説明において、スロットアンテナ装置を、「スロットアレーアンテナ」または単に「アレーアンテナ」と称することがある。
アレーアンテナにおいては、目的によって各放射素子を励振させる方法が異なる。例えば、ＷＲＧ導波路を用いたレーダ装置では、レーダ効率を最大にする、あるいはレーダ効率を犠牲にしてサイドローブを低減する、といった目標となるレーダ特性に応じて、各放射素子の励振方法が異なる。ここでは一例として、レーダ効率を最大化するために、アレーアンテナの利得を最大化するための設計方法を説明する。アレーアンテナの利得を最大化するためには、アレーを構成する放射素子の配置密度を最大化し、全ての放射素子を等振幅かつ等位相で励振すればよいことが知られている。これを実現するためには、例えば定在波直列給電が用いられる。定在波直列給電とは、「定在波が形成されている線路上の一波長離れた位置では電圧および電流が同じである」という性質を利用して、アレーアンテナの全ての放射素子を等振幅かつ等位相で励振する給電法である。
ここで、一般的な定在波直列給電の設計手順を説明する。まず、給電線路の両端の少なくとも一方で電磁波（信号波）を全反射させ、給電線路上に定在波が形成されるように導波路を構成する。次に、給電線路上で一波長ずつ離れた、定在波電流の振幅が最大になる複数の位置に、定在波に大きな影響を与えない程度に小さい同一のインピーダンスを有する複数の放射素子を線路に直列に挿入する。これにより、定在波直列給電による等振幅かつ等位相の励振が実現する。
このように、定在波直列給電の原理は理解し易い。しかし、このような構成を、ＷＲＧを用いたアレーアンテナに適用しても、等振幅かつ等位相の励振は容易には実現されないことが判明した。本発明者らの検討によれば、全ての放射素子を等振幅かつ等位相で励振するためには、ＷＲＧ上に他の部分とはキャパシタンスまたはインダクタンスの異なる部分を設けて、ＷＲＧを伝搬する信号波の位相を調整することが有効であることがわかった。キャパシタンスまたはインダクタンスを他の部分から異ならせるためには、例えば、導波面とそれに対向する導電部材の導電性表面との距離、または導波面の幅が隣り合う部位とは異なる部分を導入すればよい。このような位相の調整は、全ての放射素子を等振幅かつ等位相で励振する場合に限らず、例えば効率を犠牲にしてサイドローブを低減する等の他の目的を実現する場合にも有効である。例えば、各スロットの位置で所望の励振状態が実現するように、隣り合う放射素子間で位相および振幅に差を与える等の調整が行われ得る。また、定在波給電を選択する場合のみならず、進行波給電を選択する場合も、同様の位相の調整が必要になる。
前述の特許文献１に開示されている従来のＷＲＧを用いたアレーアンテナでは、同一の凹部（切込）または幅広の部分が一定の短い周期で線路全体に配置されており、信号波の位相を調整するための構造は設けられていない。特許文献１に開示された構成においては、凹部も幅広の部分も設けられていない状態における導波路内での信号波の波長をλRとして、λR／４未満の周期で凹部または幅広の部分が周期的に配置されている。このような構造は、分布定数回路としての伝送線路上の特性インピーダンスを変化させ、結果として導波路内での信号波の波長を短縮させる。しかし、各スロットの励振状態を、目的とするアンテナ特性に応じて調整することができない。
その理由は、特許文献１に開示されているリッジ導波路の上に複数のスロットを配置してスロットアレーアンテナを構成する場合、スロットのインピーダンスが導波路を伝搬する信号波の波形を大きく歪める程に大きいからであると推定される。そのため、特許文献１に開示された微細な周期構造を採用した場合、複数のスロットの各々から放射される電磁波の強度および位相を、目的に応じて調整することが困難であると考えられる。このことは、ＷＲＧを用いたレーダ等の装置において、目標の特性を得るためには、導波路とスロットとを独立に設計できないことを意味する。すなわち、効率を最大にする、あるいは、効率を犠牲にしてサイドローブを低減する、といった所望の特性を得るためには、導波路およびスロットの双方を同時に最適化する必要がある。本発明者の一人が特許文献１の発明を出願した際には、スロットのインピーダンスがそのような影響を与えることは、全く認識されていなかった。
本発明者らは、所望のアンテナ特性を得るために、導波部材が延びる方向に沿って隣り合う２つのスロットの間において、凹部または凸部などの付加要素を、伝送線路に沿ってλR／４よりも長い配置間隔で導入することを検討した。本発明者らは、さらに、隣り合う２つのスロットの間において、凹部または凸部などの付加要素を、伝送線路に沿って非周期的に配置することを検討した。本発明者らはまた、第２導電部材と導波部材との間隔および／または導波部材の導波面の幅（つまりインダクタンスおよび／またはキャパシタンス）を、導波面に沿って３段階以上に変化させた構造を検討した。それにより、導波路内での信号波の波長の調整と、スロットにおける信号波の強度および伝搬する信号波の位相の調節を行うことに成功した。λRは自由空間における波長λｏよりも長いが、１．１５λｏ未満である。よって、上記の「λR／４よりも長い配置間隔」とは、「１．１５λｏ／４よりも長い配置間隔」と読み替えることもできる。なお、上記の配置間隔がλR／４よりも大きいものの、λR／４との差が小さい場合は、伝搬する信号波の位相の調節量が十分には得られない場合もある。その様な場合は、１．５λｏ／４以上の配置間隔で付加要素を配置した部位が導入される。
本明細書において、「付加要素」とは、インダクタンスおよびキャパシタンスの少なくとも一方を局所的に変化させる伝送線路上の構造を意味する。本明細書において、「インダクタンス」および「キャパシタンス」とは、伝送線路に沿った方向（すなわち、導波部材が延びる方向）について、自由空間波長λｏの１０分の１以下の単位長さあたりのインダクタンスおよびキャパシタンスの値をそれぞれ意味する。付加要素は、凹部または凸部に限らず、例えば導波面の幅が隣接する他の部分よりも大きい「幅広部」、または幅が隣接する他の部分よりも小さい「狭小部」であってもよい。あるいは、誘電率が他の部分とは異なる材料で形成された部分であってもよい。そのような付加要素は、導波部材が有する導電性の導波面に設けられていてもよいし、導波面に対向する導電部材の導電性表面に設けられていてもよい。
ここで、図９Ａから図９Ｆを参照しながら、本開示の例示的な実施形態におけるスロットアレーアンテナの構成例を説明する。
図９Ａは、本開示の例示的な実施形態におけるスロットアレーアンテナの構造を模式的に示す断面図である。図９Ａは、複数のスロット１１２の中心を通るＹＺ面に平行な平面でスロットアレーアンテナを切断した場合の断面図である。このスロットアレーアンテナにおける第１導電部材１１０は、Ｙ方向に配列された複数のスロット１１２を有する。導波部材１２２は、Ｙ方向に延びており、間隙を空けてＹ方向に並ぶ複数のリッジを含む。複数のスロット１１２の各々は、導電性表面１１０ａまたは導波面１２２ａに垂直な方向から見たとき、複数のリッジのうちの隣り合う２つのリッジの対向する端部間に位置している。この例では、第１導電部材１１０は３個のスロット１１２を有し、導波部材１２２は、４個のリッジを有している。スロット１１２の個数および導波部材１２２におけるリッジの個数は、この例とは異なっていてもよい。
導波部材１２２上には、複数の凹部が設けられている。各凹部の位置は、複数のスロット１１２の位置における信号波の位相を変化させて、目的に適う特性が得られるように選択されている。この例では、左から２つ目のリッジにおける２つの凹部１２２ｄ１、１２２ｄ２は、Ｙ方向において隣り合う２つのスロット１１２の中点を通るＸＺ面に対して対称な位置にある。凹部の数、形状、大きさ、およびリッジ上の位置は、リッジによって異なっている。このように、導波部材１２２における全てのリッジが同一の構造を有していなくてもよい。
図９Ａの構成では、導波部材１２２における複数の凹部は、Ｙ方向に隣り合って順に並ぶ第１の凹部１２２ｄ１、第２の凹部１２２ｄ２、および第３の凹部１２２ｄ３を含んでいる。第１の凹部１２２ｄ１と第２の凹部１２２ｄ２との中心間距離は、第２の凹部１２２ｄ２と第３の凹部１２２ｄ３との中心間距離とは異なっている。このように、図９Ａに示す構成では、少なくとも図示されている領域内において、第１導電部材１１０の背面側の第２導電性表面１１０ａと導波部材１２２の導波面１２２ａとの間隔が、Ｙ方向に沿って非周期的に変動している。上記の第１から第３の凹部は、複数のスロット１１２のうちの両端の２つのスロットの間に設けられていれば、その位置は任意である。複数の凹部は、第２導電部材１２０の正面側の第３導電性表面１２０ａに設けられていてもよい。
図９Ａに示す構成において、第２の凹部１２２ｄ２の中心と、第３の凹部１２２ｄ３の中心との距離ｂ１は、１．１５λｏ／４よりも長い。より好ましくは、距離ｂ１は、１．５λｏ／４以上である。ここで、Ｙ方向に隣り合う２つのスロット１１２の中心間の距離をａとする。距離ａは、例えば、導波路を伝搬する電磁波の波長λｇと同程度の長さに設計され得る。波長λｇは、付加要素を配置することによって前述の波長λRから変化した波長である。設計によって異なるが、λｇは、例えばλRよりも短い。その場合、ａ＜λRとなるため、隣り合う２つの凹部１２２ｄ２、１２２ｄ３の中心間の距離（＞λR／４）は、ａ／４よりも長い。図９Ａの構成において、第１の凹部１２２ｄ１と第２の凹部１２２ｄ２との中心間の距離は、１．１５λｏ／４以下であってもよい。
図９Ａの構成では、各凹部は、伝送線路のインダクタンスを局所的に増加させる要素として機能する。各凹部の底部および凹部以外の部位は平坦であるが、平坦でなくてもよい。
図９Ａの構成においては、第１の凹部１２２ｄ１および第２の凹部１２２ｄ２は、１つのリッジ上に設けられ、第３の凹部１２２ｄ３は、他のリッジ上に設けられている。このような形態に限らず、例えば、第１から第３の凹部が１つのリッジ上に設けられていてもよいし、異なる３つのリッジ上にそれぞれ設けられていてもよい。
図９Ｂは、他の実施形態におけるスロットアンテナ装置を示す断面図である。この例では、導波部材１２２上に、複数の凸部が設けられている。各凸部の位置は、複数のスロット１１２の位置における信号波の位相を変化させて、目的に適う特性が得られるように選択されている。図示されるように、凸部の数、形状、大きさ、およびリッジ上の位置は、リッジによって異なっていてもよい。
図９Ｂの例では、導波部材１２２における複数の凸部は、Ｙ方向に隣り合って順に並ぶ第１の凸部１２２ｂ１、第２の凸部１２２ｂ２、および第３の凸部１２２ｂ３を含んでいる。第１の凸部１２２ｂ１と第２の凸部１２２ｂ２との中心間距離は、第２の凸部１２２ｂ２と第３の凸部１２２ｂ３との中心間距離とは異なっている。このように、図９Ｂに示す構成では、少なくとも図示されている領域内において、第２導電性表面１１０ａと導波面１２２ａとの間隔が、Ｙ方向に沿って非周期的に変動している。上記の第１から第３の凸部は、複数のスロット１１２のうちの両端の２つのスロットの間に設けられていれば、その位置は任意である。複数の凸部は、第３導電性表面１２０ａに設けられていてもよい。
図９Ｂに示す構成において、第１の凸部１２２ｂ１の中心と、第２の凸部１２２ｂ２の中心との距離ｂ２は、１．１５λｏ／４よりも長い。より好ましくは、距離ｂ２は、１．５λｏ／４以上である。λｇがλRよりも短い場合、ａ＜λRとなるため、隣り合う２つの凸部１２２ｂ１、１２２ｂ２の中心間の距離（＞λR／４）は、ａ／４よりも長い。図９Ｂの構成において、第２の凸部１２２ｂ２と第３の凸部１２２ｂ３との中心間の距離は、１．１５λｏ／４以下であってもよい。
図９Ｂの構成では、各凸部は、伝送線路のキャパシタンスを局所的に増加させる要素として機能する。各凸部の頂部および凸部以外の部位は平坦であるが、平坦でなくてもよい。
図９Ｂの構成においては、第２の凸部１２２ｂ２および第３の凸部１２２ｂ３は、１つのリッジ上に設けられ、第１の凸部１２２ｂ１は、他のリッジ上に設けられている。このような形態に限らず、例えば、第１から第３の凸部が１つのリッジ上に設けられていてもよいし、異なる３つのリッジ上にそれぞれ設けられていてもよい。
図９Ａおよび図９Ｂと同様の非周期的な構成は、凹部または凸部を設ける代わりに、幅広部または狭小部を設けた場合でも実現可能である。例えば、導波部材１２２が、隣り合う部位よりも導波面１２２ａの幅を広げる複数の幅広部を導波面１２２ａに有している場合を考える。この場合、複数の幅広部は、Ｙ方向に隣り合って順に並ぶ第１の幅広部、第２の幅広部、および第３の幅広部を含み、第１の幅広部と第２の幅広部との中心間距離が、第２の幅広部と第３の幅広部との中心間距離とは異なるように配置され得る。同様に、導波部材１２２が、隣り合う部位よりも導波面１２２ａの幅を狭める複数の狭小部を導波面１２２ａに有している場合を考える。この場合、複数の狭小部は、Ｙ方向に隣り合って順に並ぶ第１の狭小部、第２の狭小部、および第３の狭小部を含み、第１の狭小部と第２の狭小部との中心間距離が、第２の狭小部と第３の狭小部との中心間距離とは異なるように配置され得る。第１から第３の幅広部（または第１から第３の狭小部）は、複数のスロット１１２のうちの両端の２つのスロットの間に設けられていれば、その位置は任意である。
図９Ａおよび図９Ｂの構成では、第３導電性表面１２０ａおよび導波面１２２ａの間の導波路は、当該導波路のインダクタンスまたはキャパシタンスが極大または極小を示す複数の箇所を含んでいる。それらの複数の箇所は、Ｙ方向に隣り合って順に並ぶ第１の箇所、第２の箇所、および第３の箇所を含んでいる。第１の箇所と第２の箇所との中心間距離は、第２の箇所と第３の箇所との中心間距離とは異なっている。このように、複数のスロットが設けられた領域内で、少なくとも部分的に非周期的なインダクタンスまたはキャパシタンスの変動を生じさせる構造により、導波路内を伝搬する電磁波の位相を、所望の特性に応じて調整することができる。上記の第１から第３の箇所は、両端の２つのスロットの間に設けられていれば、その位置は任意である。
図９Ｃは、本開示の他の実施形態におけるスロットアレーアンテナの構造を模式的に示す断面図である。このスロットアレーアンテナは、凸部１２２ｂが、導波面１２２ａに垂直な方向から見たときに、Ｙ方向に隣り合う２つのスロット１１２の中点に位置している。凸部１２２ｂの位置は、図示される位置に限らず、他の位置であってもよい。このような構成において、各凸部１２２ｂは、伝送線路のキャパシタンスを局所的に増加させる要素として機能する。この例においても、各凸部１２２ｂの頂部およびその他の部位が平坦である。Ｙ方向において隣り合う２つの凸部１２２ｂの中心間の距離ｂは、ｂ＞１．１５λｏ／４を満たす。距離ｂは、より好ましくは、ｂ＞１．５λｏ／８を満たす。凸部１２２ｂの代わりに幅広部を設けたり、導波面１２２ａではなく第３導電性表面１２０ａに凸部を設けたりした構成でも、同様の特性を得ることができる。
図９Ｃの構成では、第３導電性表面１２０ａと導波面１２２ａとの間隔が、Ｙ方向に沿って周期的に変動している。但し、その変動の周期が１．１５λｏ／４またはλR／４よりも長い。周期は、隣り合う２つのスロット１１２の中心間距離（スロット間隔）に一致している。このような周期的な構成を採用する場合、周期は、例えばスロット間隔の１／２以上の値に設定され得る。つまり、第３導電性表面１２０ａと導波面１２２ａとの間隔、および導波面１２２ａの幅の少なくとも一方は、Ｙ方向に沿って、隣り合う２つのスロット１１２の中心間距離の１／２以上の周期で変動していてもよい。あるいは、第３導電性表面１２０ａと導波面１２２ａとの間の導波路のインダクタンスおよびキャパシタンスの少なくとも一方は、Ｙ方向に沿って、隣り合う２つのスロット１１２の中心間距離の１／２以上の周期で変動していてもよい。
図９Ｄは、本開示のさらに他の実施形態におけるスロットアレーアンテナの構造を模式的に示す断面図である。このスロットアレーアンテナでは、複数の凹部が、第２導電部材１２０の第３導電性表面１２０ａ上に配置されている。複数の凹部のＹ方向における位置は、図９Ａにおける複数の凹部のＹ方向における位置と同一である。導波部材１２２の導波面１２２ａには、凸部も凹部も配置されておらず、平坦である。
図９Ｅは、本開示のさらに他の実施形態におけるスロットアレーアンテナの構造を模式的に示す断面図である。このスロットアレーアンテナでは、凹部および凸部の両方が、第３導電性表面１２０ａおよび導波面１２２ａのいずれにも配置されている。
図９Ｄおよび図９Ｅに示すように、第２導電部材１２０の第３導電性表面１２０ａに、凸部および凹部の少なくとも一方を配置してもよい。その場合、導波部材１２２が延びる方向に直交する方向（Ｘ方向）における凹部または凸部の幅は、導波部材１２２の幅よりも広いことが製造上、好ましい。第２導電部材１２０における凹部または凸部と、導波部材１２２とのＸ方向における位置合わせに要求される精度を緩和することができるからである。ただしこれに限定されず、第２導電部材１２０における凹部または凸部のＸ方向の幅は、導波部材１２２の導波面１２２ａの幅と同じ、あるいはより狭くてもよい。
図９Ａから図９Ｅに示す実施形態におけるスロットアレーアンテナでは、第３導電性表面１２０ａおよび導波面１２２ａによって形成される導波路は、導波路のインダクタンスおよびキャパシタンスのうちの少なくとも一方が極小を示す少なくとも１つの極小箇所、および、導波路のインダクタンスおよびキャパシタンスのうちの少なくとも一方が極大を示す少なくとも１つの極大箇所を含む。「極小箇所」は、導波路（または伝送線路）のインダクタンスまたはキャパシタンスを示すＹ方向の座標についての関数が極小値をとるＹ方向の位置の近傍の箇所である。一方、「極大箇所」は、当該関数が極大値をとるＹ方向の位置の近傍の箇所である。図９Ａから図９Ｅに示す例のように、底部が平坦な凹部または頂部が平坦な凸部がインダクタンスまたはキャパシタンスの極大または極小を生じさせている場合は、凹部または凸部の中央部が「極大箇所」または「極小箇所」であるものとする。図９Ａおよび図９Ｄに示す構成例では、各凹部の中央が、インダクタンスを極大にする「極大箇所」であり、隣り合う２つの凹部の間の部位の中央が、インダクタンスを極小にする「極小箇所」である。一方、図９Ｂおよび図９Ｃに示す構成例では、各凸部の中央が、キャパシタンスを極大にする「極大箇所」であり、隣り合う２つの凸部の間の部位の中央が、キャパシタンスを極小にする「極小箇所」である。図９Ｅに示す例でも同様に、複数の極大箇所および複数の極小箇所が生じる。
図９Ｆは、導波部材１２２の導波面に複数の凸部または凹部が並んでいる実施形態を示す断面図である。このスロットアレーアンテナでは、リッジ１２２上に複数の微細な凹部または凸部が周期的に配列されている。この配列の周期は、凸部も凹部も設けられていない状態における導波路内での信号波の波長をλRとして、λR／４未満である。波長λRは、自由空間波長λｏの１．１５倍未満なので、凹部１２２ｄの配列の周期は、１．１５λｏ／４未満である。したがって、図９Ｆに示す構成では、凹部の中心と、隣接する凸部の中心とのＹ方向の距離ｂは、１．１５λｏ／８よりも短い。
ここで、図１０と図１１とを参照しながら、図９Ｃに示す構成と、図９Ｆに示す構成とを対比する。
図１０は、図９Ｃに示す構成における導波路のキャパシタンスのＹ方向の依存性を模式的に示すグラフである。図１１は、図９Ｆに示す構成における導波路のキャパシタンスのＹ方向の依存性を模式的に示すグラフである。これらのグラフにおいて、１つのスロット１１２の位置をＹ座標の原点とし、Ｙ＝０〜ａの範囲についてのキャパシタンスの変化が示されている。なお、図１０および図１１は、キャパシタンスのＹ方向の変化の傾向を示すものであり、厳密なものではない。図１０および図１１に示すように、図９Ｃの構成および図９Ｆの構成のいずれにおいても、Ｙ方向に沿ってキャパシタンスは変化する。しかし、その変化の周期が異なる。図９Ｃの構成では、スロット付近でキャパシタンスは極小を示した後、凸部１２２ｂ近傍で極大を示す。極小を示す極小箇所と、これにＹ方向において隣り合って極大を示す極大箇所は、スロット間隔ａの約２分の１だけ隔たっている。これに対して、図９Ｆの構成では、凸部も凹部も存在しない場合のリッジ導波路上における電磁波の波長λRの４分の１未満の細かな周期で振動している。
各スロットから位相の揃った電磁波が放射されるようにスロットアレイが設計されている場合、Ｙ方向において隣り合うスロットの間隔は、伝送線路上における伝送波の波長λｇとほぼ一致する。よって、その場合、図９Ｃの構成では、波長λｇと同程度の長い周期でキャパシタンスが変動しているのに対して、図９Ｆの構成では、波長λRの４分の１未満の短い周期でキャパシタンスが振動していると言える。波長λRの４分の１未満の短い変調構造では、伝送波は個々の変調によっては殆ど反射されることはなく、伝送波は一様に近い媒体中を伝搬するように振舞う。これに対して、波長λRの４分の１以上の長い変調構造では、伝送波は個々の変調によって反射され得る。
なお、図９Ａから図９Ｆの構成の説明において、「波長」という用語を用いたが、これは説明の便宜のためである。キャパシタンスまたはインダクタンスが長い間隔で変動している場合、伝送波は複雑な反射を起こす筈であり、実際の伝送波の波長は直接的にはまだ確認できていない。しかし、キャパシタンスまたはインダクタンスに長い周期の変動を加えることで、ＷＲＧを使用するスロットアンテナにおいては、各スロットの励振状態を、目的とするアンテナ特性を実現するように、適切に調整することができる。そして、そのような状態においては、おそらくは伝送波の波長λｇは隣り合う２つのスロット１１２の間隔とほぼ一致しているものと推測される。キャパシタンスまたはインダクタンスが長い周期で変動している場合でも、その状況に応じた波長λｇが定義され得るものと仮定して、以後説明する。
上記のように、図９Ａから図９Ｅに示す実施形態では、インダクタンスおよびキャパシタンスの少なくとも一方が、隣接する２つのスロットの間において、導波部材に沿った方向に、波長λRの４分の１よりも長い変調構造によって変化している。この変化の態様は、凸部、凹部、幅広部、狭小部などの付加要素の位置を調整することにより、自在に変化させることができる。一方、図９Ｆに示す実施形態では、インダクタンスおよびキャパシタンスの少なくとも一方が、隣接する２つのスロットの間において、導波部材に沿った方向に、波長λRの４分の１よりも短い変調構造によって変化している。この構造は、特許文献１に開示された周期構造と同様に、導波路中での信号波の波長を一様に短縮する効果をもたらす。図９Ａから図９Ｅに示す構成とは異なり、各スロット１１２の位置における信号波の位相を精密に調整することはできないが、そのような精密な調整が不要な用途では、図９Ｆに示す構成も採用し得る。
図１２は、本開示の他の実施形態を示す断面図である。図１２に例示するように、リッジ１２２の導波面１２２ａの、第２導電性表面１１０ａからの高さを滑らかに変動させた構成を採用してもよい。このような構成によっても図９Ｃの構成と同様の効果が得られる。同様の効果は、導波面の幅を滑らかに変動させることによっても得られる。このように、本開示の実施形態は、第２導電部材１２０の第３導電性表面１２０ａと導波部材１２２の導波面１２２ａとの距離を滑らかに変動させた構成、および導波面１２２ａの幅を滑らかに変動させた構成を含む。本開示の実施形態は、凸部または凹部が配列された構成のような、付加要素を明確に特定できる構成に限定されない。
本明細書において、隣り合う部位よりも第２導電部材１２０の第３導電性表面１２０ａと導波部材１２２の導波面１２２ａとの間隔を狭める凸部、および隣り合う部位よりも導波面１２２ａの幅を広げる幅広部を、「第１種の付加要素」と称することがある。第１種の付加要素は、伝送線路のキャパシタンスを増加させる機能を有する。また、隣り合う部位よりも第３導電性表面１２０ａと導波面１２２ａとの間隔を広げる凹部、および隣り合う部位よりも導波面１２２ａの幅を狭める狭小部を、「第２種の付加要素」と称することがある。第２種の付加要素は、伝送線路のインダクタンスを増加させる機能を有する。ある態様において、付加要素は、第１種の付加要素および第２種の付加要素の少なくとも一方を含む。第１種の付加要素は、第２種の付加要素、または付加要素が配置されていない部位（本明細書において「中立部」と称することがある。）と隣接し得る。同様に、第２種の付加要素は、第１種の付加要素または中立部と隣接し得る。それらの互いに隣接する２つの要素の中心間距離は、例えば、導波路中での波長λRの１／８倍よりも長い値、または自由空間中における中心波長λｏの１．１５／８倍よりも長い値に設定され得る。より好ましくは、隣接する２つの要素の中心間距離は、λｏの１．５／８倍以上の値に設定され得る。
本開示の実施形態においては、凸部かつ狭小部、または凹部かつ幅広部と言えるような特殊な構造を付加要素として用いてもよい。本明細書において、隣り合う部位よりも導電性表面と導波面との間隔を狭める凸部であって、かつ隣り合う部位よりも導波面の幅が狭い狭小部でもある構造を、「第３種の付加要素」と称することがある。また、隣り合う部位よりも導電性表面と導波面との間隔を広げる凹部であって、かつ隣り合う部位よりも導波面の幅が広い幅広部でもある構造を、「第４種の付加要素」と称することがある。第３種の付加要素および第４種の付加要素は、その構造によって、キャパシタンス成分として機能するか、インダクタンス成分として機能するかが変わる。付加要素は、このような第３種の付加要素および第４種の付加要素の少なくとも一方を含んでいてもよい。第３種の付加要素は、第４種の付加要素、または付加要素が配置されていない中立部と隣接し得る。同様に、第４種の付加要素は、第３種の付加要素または中立部と隣接し得る。それらの互いに隣接する２つの要素の中心間距離は、例えば、λRの１／８倍よりも長い値、またはλｏの１．１５／８倍よりも長い値に設定され得る。この中心間距離は、より好ましくは、λｏの１．５／８倍以上であり得る。
本開示の実施形態では、凹凸等がない場合における導波路中の波長λRの１／４倍未満の周期をもつ構造が部分的に設けられていてもよい。図１３Ａは、そのような構成の例を模式的に示す断面図である。この例における導波部材１２２は、複数の微小な凹部１２２ｄを有している。各凹部１２２ｄのＹ方向における寸法は、λR／８未満である。複数の凹部１２２ｄは、各リッジの両端部に近い位置に配置され、中央部には配置されていない。各リッジの両端部における複数の凹部１２２ｄの周期は、λR／４未満である。
図１３Ｂは、本開示のさらに他の実施形態を模式的に示す断面図である。この例では、導波部材１２２は、複数の微小な凸部１２２ｂを有している。各凸部のＹ方向のサイズは、λR／８未満である。導波部材１２２の各リッジにおいて、凸部１２２ｂの密度は、中央部付近で高く、両端部に近づくほど低い。この例のように、微小な付加要素の濃淡（密度の違い）によって平均的なインダクタンスまたはキャパシタンスの変動を生じさせてもよい。このような形態では、「極大箇所」および「極小箇所」は、複数の微小な付加要素を包含するある程度の拡がりを持つ領域を指す。
図１３Ａ、および図１３Ｂに示す例において、微小な凹部１２２ｄおよび微小な凸部１２２ｂは、局部的にはλR／４または１．１５λｏ／４よりも短い間隔で配置される。しかし、凹凸の各繰り返し単位について見た場合、その繰り返し周期はλR／４または１．１５λｏ／４よりも長い。言い換えれば、微小な凹部１２２ｄおよび微小な凸部１２２ｂの配置間隔には、λR／４または１．１５λｏ／４よりも長い周期の変調が重畳されている。
図１３Ｃは、本開示のさらに他の実施形態を模式的に示す断面図である。この実施形態では、導波部材１２２が、高さの異なる２種類の凸部を有している。２種類の凸部は、交互に等間隔で並んでいる。導波部材１２２の導波面１２２ａと第２導電部材１２０の第３導電性表面１２０ａとの間隔は、Ｙ方向に沿って周期的に変動している。つまり、導波路のインダクタンスおよび／またはキャパシタンスが、Ｙ方向に沿って周期的に変動している。この変動の周期は、スロット間隔の１／２よりも短い。この例では、導電性表面１２０ａと導波面１２２ａとの間隔の異なる３種類の箇所がＹ方向に隣り合って並んでいる。このように、導波部材１２２に高さの異なる複数の凸部を設けた構造を採用してもよい。それぞれの凸部の高さを、所望の特性に応じて適切に設定することにより、導波路を伝搬する電磁波の位相を調整し、各スロット１１２の励振状態を調整することができる。高さの異なる複数の凸部に限らず、深さの異なる複数の凹部、または幅の異なる複数の幅広部もしくは狭小部を設けることによって同様の調整を行ってもよい。導波部材１２２に限らず、第２導電部材１２０に複数の凸部または複数の凹部を設けてもよい。複数のスロット１１２のうちの両端の２つのスロットの間において、第３導電性表面１２０ａと導波面１２２ａとの間隔、または導波面１２２ａの幅が４段階以上に変化していてもよい。
図１３Ｄは、図１３Ｃの例よりも導電性表面１２０ａと導波面１２２ａとの間隔（ギャップ）の異なる箇所を増加させ、より短い距離でギャップが変動する構成の例を示す図である。この例では、導電性表面１２０ａと導波面１２２ａとの間隔の異なる６種類の箇所が存在している。ギャップは、λR／４または１．１５λｏ／４よりも短い距離で変化するが、凹凸の各繰り返し単位について見た場合、その繰り返し周期はλR／４または１．１５λｏ／４よりも長い。
図１３Ｃおよび図１３Ｄに示す例のように、導電部材１２０と導波部材１２２との間の導波路は、導電性表面１２０ａと導波面１２２ａとの間隔が異なる少なくとも３種類の箇所を有し得る。同様に、導波部材１２２は、導波面１２２ａの幅の異なる少なくとも３つの箇所を有していてもよい。そのような少なくとも３種類の箇所の全てが、複数のスロット１１２のうちのＹ方向に隣り合う２つのスロットの間に設けられている必要はなく、両端の２つのスロットの間に設けられていればよい。これらの態様では、導電性表面１２０ａと導波面１２２ａとの間隔、または導波面１２２ａの幅は、導波面１２２ａに沿って周期的に変化していてもよいし、非周期的に変化していてもよい。周期的に変化している場合、その周期は、前述のλR／４または１．１５λｏ／４以下であってもよいし、それよりも大きくてもよい。
図１４Ａは、導波部材１２２のさらに他の構造の例を示す図である。図１４Ａは、第１導電部材１１０、導波部材１２２、および複数のロッド１２４の配置の例を示す上面図である。この例では、第２導電部材１２０の導電性表面１２０ａと導波面１２２ａとの間の距離を変動させるのではなく、導波面１２２ａの幅を変動させている。このような構成においても、導波部材１２２が延びるＹ方向に隣り合う２つのスロット１１２の中央付近のキャパシタンスが大きくなるため、例えば図９Ｃに示す構成と同様の効果が得られる。この例では幅広部１２２ｅを前述の凸部の代わりに用いているが、狭小部を前述の凹部の代わりに用いてもよい。さらに、高さおよび幅の両方を、付加要素が配置されていない部分（中立部）から変化させた構造を付加要素として用いてもよい。また、凸部、凹部、幅広部、狭小部に代えて、誘電率が周囲の誘電率とは異なる部分を付加要素として導電性表面１１０ａと導波面１２２ａとの間の適切な位置に配置してもよい。
図１４Ｂは、導波部材１２２のさらに他の構造の例を示す図である。図の表示様式は、図１４Ａと同一である。図１４Ａでは導波部材１２２が延びるＹ方向に沿って幅広部１２２ｅが等間隔に配置されていたが、この例では等間隔には配置されていない。図１４ＢのＹ方向上から数えて１番目の幅広部１２２ｅと２番目の幅広部１２２ｅの間の間隔は、２番目の幅広部１２２ｅと３番目の幅広部１２２ｅの間隔よりも大きい。また、導波部材１２２は狭小部１２２ｆも含む。４番目の幅広部１２２ｅに続いて、狭小部１２２ｆが４つ並ぶ。そのうち、Ｙ方向上から数えて１番目の狭小部１２２ｆと２番目の狭小部１２２ｆの間の間隔は、２番目の狭小部１２２ｆと３番目の狭小部１２２ｆの間隔よりも小さい。
この様に、幅広部または狭小部（幅狭部）の配置間隔を局所的に異ならせたり、幅広部および狭小部の両方を配置したりすることで、スロットアレイアンテナに必要な特性を付与することができる。
本開示の実施形態における付加要素は、ある特性インピーダンスをもつ分布定数回路に局所的に付加された集中定数素子的な要素とみなすことができる。そのような付加要素を適切な位置に配置することにより、用途または目的に応じた柔軟な調整が可能となる。例えば、導波路内の信号波の波長を所望の長さに調整し、かつ、定在波直列給電または進行波給電を適用して等振幅かつ等位相の励振を行い、利得を最大化することができる。また、複数のスロット間で意図的に所望の位相差を与えて指向特性を調整したり、進行波給電を適用して複数のスロットから所望の強度の電磁波を放射させたりすることもできる。このように、本開示の技術は、幅広い目的または用途に適用することができる。
次に、本開示の実施形態による導波路装置のより具体的な構成例を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。本明細書においては、同一または類似する構成要素には、同一の参照符号を付している。
＜実施形態１＞
図１５Ａは、本開示の第１の実施形態におけるスロットアンテナ装置３００（以下、単に「アンテナ装置３００」と称することがある。）の構成の一部を模式的に示す平面図である。図１５Ｂは、アンテナ装置３００における第１導電部材１１０およびその上の導波部材１２２の構造をより詳細に示す斜視図である。図１５Ｂにおいて、複数の導電性ロッド１２４は、一部を除いて薄く示されている。図１５Ｃは、複数のスロット１１２の中心を通り、ＹＺ面に平行な平面で切断したときのアンテナ装置３００の断面の構造を模式的に示す図である。
本実施形態におけるアンテナ装置３００は、複数のスロット１１２の各々を放射素子とするスロットアンテナアレイの構造を備える。第１導電部材１１０は、複数のスロット１１２を有する。複数のスロット１１２は、導波部材１２２が延びるＹ方向に沿って配列されている。複数のスロット１１２は、４個のスロット１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄを含む。
導波部材１２２は、複数のスロット１１２の位置で複数の部分（リッジ）に分断されている。本実施形態における導波部材１２２は、直線上に並ぶ５個のリッジ１２２Ｃｈ、１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、１２２Ｄを含む。導波部材１２２の導波面に垂直な方向から見て、各スロット１１２は、複数のリッジのうちの隣り合う２つのリッジの端部の間に配置されている。具体的には、スロット１１２Ａは、リッジ１２２Ｃｈとリッジ１２２Ａとの間に配置されている。スロット１１２Ｂは、リッジ１２２Ａとリッジ１２２Ｂとの間に配置されている。スロット１１２Ｃは、リッジ１２２Ｂとリッジ１２２Ｃとの間に配置されている。スロット１１２Ｄは、リッジ１２２Ｃとリッジ１２２Ｄとの間に配置されている。
以下の説明において、スロット１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄを区別せずに表すときは、単に「スロット１１２」と称する。同様に、リッジ１２２Ｃｈ、１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、１２２Ｄを区別せずに表すときは、単に「リッジ１２２」と称する。他の構成要素についても同様である。
複数のスロット１１２のうちの端のスロット１１２Ａに隣接して、チョーク構造１５０が設けられている。チョーク構造１５０は、例えば、長さがおよそλｏ／８の付加的な伝送線路と、その付加的な伝送線路の端部に配置される深さがおよそλｏ／４である複数の溝、または高さがおよそλｏ／４である導電性ロッド１２４の列から構成される。本実施形態においては、チョーク構造１５０は、リッジ１２２Ｃｈと、Ｙ方向においてリッジ１２２Ｃｈに近接する１つ以上の導電性ロッド１２４とを含む。この場合、付加的な伝送線路は、リッジ１２２Ｃｈと第３導電性表面１２０ａとの間の導波路に相当する。チョーク構造１５０に含まれるリッジを、以下の説明において、「チョークリッジ」と称する。
チョーク構造１５０は、入射波と反射波との間に約１８０°（π）の位相差を与える。これにより、導波部材１２２の端部から電磁波が漏洩することを抑制できる。このようなチョーク構造１５０は、第１導電部材１１０に限らず、第２導電部材１２０に設けられていてもよい。
従来、チョーク構造における付加的な伝送線路の長さはλｒ／４が良いと考えられていた。ここで、λｒは、伝送線路上での信号波の波長である。しかし、本発明者らは、チョーク構造における付加的な伝送線路の長さがλｒ／４よりも短い場合においても、電磁波の漏洩を抑制し、むしろλｒ／４の場合よりも良好に機能し得ることを見出している。実際には、付加的な伝送線路の長さは、λｒ／４よりも短いλｏ／４以下にすることが好ましい。本実施形態において、付加的な伝送線路の長さ、すなわち、チョークリッジ１２２ＣｈのＹ方向における長さは、例えばλｏ／１６以上λｏ／４未満に設定される。
チョーク構造１５０に含まれる導電性ロッド１２４は、導波部材１２２の両側に拡がる人工磁気導体に含まれる導電性ロッド１２４とは異なる形状を有していてもよい。チョークリッジ１２２Ｃｈは、導電性ロッド１２４と同じ形状を有していてもよい。
本実施形態では、導波部材１２２の両側の人工磁気導体は、導波部材１２２に＋Ｘ方向において隣り合う導電性ロッド１２４の列と、導波部材１２２に−Ｘ方向において隣り合う導電性ロッド１２４の列とを含む。これらの導電性ロッド１２４の各列において、複数の導電性ロッド１２４は、Ｙ方向に並んでいる。導波部材１２２の片側における人工磁気導体は、２列以上の導電性ロッド１２４を含んでいてもよい。後述するように、本開示においては、１列の導電性ロッド１２４であっても人工磁気導体に該当するものとして取り扱う。
導波部材１２２は、導波面上に複数の凹部１２２ｄを有する。３つのリッジ１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃの各々は、２つの凹部１２２ｄを有する。２つの凹部１２２ｄは、各リッジの導波面における中央部と、両端部との間に位置している。これらの凹部１２２ｄにより、各スロット１１２の位置における信号波の相対的な位相差が適切に調整され、所望の放射特性または受信特性が実現される。
図１５Ｃに示すように、導波部材１２２と第２導電部材１２０との間の導波路は、直接的に、または、他の導波路を介して、送信機または受信機に接続される。他の導波路は、例えば図示されていない他のリッジ導波路、中空導波管、またはマイクロストリップ線路を含み得る。送信機または受信機は、図１５Ｃに示す導波路が形成される層とは異なる層に配置されていてもよい。その場合、層間を接続する導波路が利用される。
送信機は、アンテナ装置３００における導波路に給電して各スロット１１２から信号波を放射させる装置または回路である。受信機は、アンテナ装置３００における各スロット１１２から入射し導波路を伝搬してきた信号波を受信する装置または回路である。送信機および受信機のそれぞれは、例えばミリ波集積回路によって実現され得る。アンテナ装置３００は、送信機および受信機の両方の機能を有する装置に接続されていてもよい。
送信時には、送信機から供給された信号波は、導波部材１２２と第２導電部材１２０との間の導波路を伝搬して複数のスロット１１２を励振する。これにより、信号波が放射される。逆に、受信時には、複数のスロット１１２に入射した信号波は、導波部材１２２と第２導電部材１２０との間の導波路を伝搬して受信機に到達する。これにより、信号波が受信される。
複数のスロット１１２の相互の間隔は、例えば、導波路を伝搬する信号波の波長と同程度の間隔に設定される。その場合、各スロット１１２から位相の揃った信号波が放射される。他の目的、例えばサイドローブを低減するなどの目的のために、スロット１１２の相互の間隔を、導波路内の信号波の波長とは異なる間隔にしてもよい。
図１５Ｄは、本実施形態における複数の放射素子のうち、隣接する２つの放射素子を示す斜視図である。図１５Ｄでは、複数の導電性ロッド１２４および第２導電部材１２０の図示は省略されている。
本実施形態におけるスロット１１２の中心軸に垂直な断面は、Ｈ形状を有する。スロット１１２の中心軸とは、スロット１１２の中心を通り、スロット１１２の開口面に垂直な軸を意味する。「Ｈ形状」とは、アルファベットの「Ｈ」のように、ほぼ平行な２つの縦部と、２つの縦部の中央部を結ぶ横部とを有する形状を意味する。Ｈ形状のスロット１１２を用いることにより、図７Ａに示すスロット１１２の形状と比較して、Ｅ面に垂直な方向の幅を小さくすることができる。なお、Ｅ面は、スロット１１２の中央部に形成される電界ベクトルを含む平面である。図７Ａおよび図１５Ａの例において、Ｅ面はＹＺ面に平行である。
以上の構成により、複数のスロット１１２を放射素子とする送信用または受信用のスロットアンテナ装置を実現できる。比較例と同様、ＷＲＧ構造が用いられているため、マイクロストリップ線路を利用したアンテナと比較して、高周波領域でも低損失のアンテナを実現できる。さらに、本実施形態によれば、導波部材１２２の導波面における複数の凹部１２２ｄにより、各スロットの励振状態が適切に調整される。
＜実施形態２＞
次に、本開示の第２の実施形態を説明する。
図１６Ａは、本実施形態におけるスロットアンテナ装置３００の構成の一部を示す平面図である。本実施形態と実施形態１との相違点は、各スロット１１２の開口の形状がＩ形状である点にある。Ｉ形状とは、アルファベットの「Ｉ」のように、直線的に延びる形状を意味する。それ以外の点については、実施形態１と同様である。
図１６Ｂは、４個の放射素子のうちの２個の放射素子を示す斜視図である。図１６Ｂにおいて、複数の導電性ロッド１２４の図示は省略されている。Ｉ形状のスロット１１２を放射素子として用いた場合でも、実施形態１と同様に、効率の良いスロットアンテナを実現することができる。
第１導電部材１１０の第１導電性表面１１０ｂは、少なくとも１つのスロット１１２に連通する少なくとも１つのホーンを規定する形状を有していてもよい。そのようなホーンを設けることにより、インピーダンスの整合度が高くなり、信号波の反射を抑制することができる。
図１７は、実施形態２の変形例に係る２個の放射素子を示す斜視図である。図１７において、複数の導電性ロッド１２４および第２導電部材１２０の図示は省略されている。この変形例では、第１導電部材１１０の正面側の第１導電性表面１１０ｂは、複数のスロット１１２にそれぞれ連通する複数のホーン１１４を規定する形状を有している。この例において、複数のスロット１１２の各々は、複数のホーン１１４を介して外部空間に開放されている。このようなホーン１１４を設けることにより、スロット内の特性インピーダンスを次第に自由空間の特性インピーダンスに近づける事が出来るため、放射効率を向上させることができる。
図１８Ａは、実施形態２の他の変形例に係る１つの放射素子を示す斜視図である。この例におけるスロットアンテナ装置は、第１導電部材１１０の正面側の導電性表面１１０ｂに対向する導電性表面を有する他の導電部材１６０をさらに備える。他の導電部材１６０は、この例では、４つの他のスロット１１１を有している。図１８Ｂは、図１８Ａの放射素子において、第１導電部材１１０と他の導電部材１６０との間隔を離して示した図である。図１８Ａおよび図１８Ｂにおいて、導波部材１２２の両側の複数の導電性ロッド１２４および導波部材１２２の導波面に対向する導電性表面を有する第２導電部材１２０の図示は省略されている。
図１７におけるスロット１１２は、各々ホーン１１４に連通しているが、図１８Ａの例ではスロット１１２はキャビティ１８０に連通している。キャビティ１８０は、第１導電性表面１１０ｂ、第１導電部材１１０の正面側に配置された複数の導電性ロッド１７０、および他の導電部材１６０の背面側の導電性表面によって囲まれた平坦な空洞である。この例において、スロット１１２は、キャビティ１８０を介して、外部空間に開放されている。図１８Ａおよび図１８Ｂの例において、複数の導電性ロッド１７０の先端と他の導電部材１６０の背面側の導電性表面との間には間隙がある。複数の導電性ロッド１７０の基部は第１導電部材１１０における第１導電性表面１１０ｂに接続している。複数の導電性ロッド１７０が、他の導電部材１６０に接続する構成を採用しても良い。ただし、その場合、複数の導電性ロッド１７０の先端と第１導電性表面１１０ｂとの間には、間隙が確保される。
他の導電部材１６０は、４つの他のスロット１１１を有しており、何れのスロット１１１もキャビティ１８０に連通する。スロット１１２からキャビティ１８０内に放射された信号波は、４つの他のスロット１１１を介して他の導電部材１６０の正面側に放射される。なお、他の導電部材１６０の正面側にホーンを設置し、他のスロット１１１がそのホーンの底部に開口する構造を採用しても良い。この場合、スロット１１２から放射された信号波は、キャビティ１８０、他のスロット１１１、およびホーンを介して放射される。
図１７に示すようなホーンは、実施形態１のようにＨ形状のスロット１１２を有するスロットアンテナ装置３００に設けられていてもよい。例えば、図１９および図２０に示す構成を採用してもよい。図１９は、Ｈ形状の複数のスロット１１２の周囲に複数のホーン１１４がそれぞれ設けられたスロットアンテナ装置３００における第１導電部材１１０を背面側から見た図である。図１９においては、配置関係をわかり易くするため、実際には図の奥側にあるホーン１１４も図示されている。図２０は、図１９におけるＡ−Ａ線断面図である。この例においても、ホーン１１４を設けることにより、スロット１１２を通過する際の反射を抑制することができる。
＜実施形態３＞
次に、本開示の第３の実施形態を説明する。本実施形態におけるアンテナ装置３００は、積層された少なくとも３つの導電部材を備える。送信機または受信機は、第２導電部材１２０よりも背面側の層に配置されている。
図２１Ａは、本実施形態におけるアンテナ装置３００の構成を模式的に示す断面図である。アンテナ装置３００は、第１導電部材１１０および第２導電部材１２０に加えて、第３導電部材１４０を備えている。さらに、アンテナ装置３００は、第１導電部材１１０に接続された第１導波部材１２２Ｕに加えて、第２導波部材１２２Ｌを備えている。第２導波部材１２２Ｌは、第２導電部材１２０と第３導電部材１４０との間に配置されている。
第１導電部材１１０は、実施形態１または実施形態２における第１導電部材１１０と基本的には同様の構造を有する。ただし、本実施形態においては、導波部材１２２Ｕの両端部に近接して、２つのチョーク構造１５０Ｕが設けられている。これらのチョーク構造１５０Ｕは、４つのスロット１１２の列の中央部から分岐して供給される信号波が、両端の２つのスロット１１２を超えて伝搬することを抑制する。
第１導波部材１２２Ｕは、Ｙ方向に沿って導波面１２２Ｌａ上に周期的に配置された複数の凹部を有する。これらの凹部により、導波路内の波長が短縮される。これにより、スロット１１２の間隔を短くすることができる。
第２導電部材１２０は、正面側の第３導電性表面１２０ａに加えて、背面側の第４導電性表面１２０ｂを有する。第２導電部材１２０は、第３導電性表面１２０ａから第４導電性表面１２０ｂに貫通するポート１４５（貫通孔）を有する。ポート１４５は、導波部材１２２Ｕの導波面１２２Ｕａの中央部に対向している。すなわち、ポート１４５は、第１導電性表面１１０ｂに垂直な方向から見て、４つのスロット１１２の列の中央に位置している。
第３導電部材１４０は、第４導電性表面１２０ｂに対向する正面側の第５導電性表面１４０ａを有する。第３導電部材１４０の第５導電性表面１４０ａ上には、リッジ状の第２導波部材１２２Ｌが配置されている。
第２導波部材１２２Ｌは、第４導電性表面１２０ｂに沿ってＹ方向に延びている。第２導波部材１２２Ｌは、第４導電性表面１２０ｂに対向する導電性の導波面１２２Ｌａを有する。導波面１２２Ｌａは、ポート１４５にも対向している。第２導波部材１２２Ｌは、導波面１２２Ｌａに垂直な方向から見て、ポート１４５を僅かに超えた位置まで延びている。
第２導波部材１２２Ｌの両側には、図示されていない人工磁気導体が拡がっている。人工磁気導体は、第４導電性表面１２０ｂおよび第５導電性表面１４０ａの少なくとも一方に配置された複数の導電性ロッドによって実現され得る。第４導電性表面１２０ｂ、導波面１２２Ｌａ、および人工磁気導体は、第４導電性表面１２０ｂと導波面１２２Ｌａとの間隙に第２の導波路を規定する。第２の導波路は、ポート１４５を介して、第１導波部材１２２Ｕの導波面１２２Ｕａと第２導電部材１２０の第３導電性表面１２０ａとの間の第１の導波路に接続される。第２の導波路は、直接的に、または不図示の他の導波路を介して、送信機または受信機に接続される。
第２導波部材１２２Ｌの端部にはチョーク構造１５０Ｌが配置されている。ここで、ポート１４５の開口を導波面１２２Ｌａに投影した際の縁から導波部材１２２Ｌの一端までの範囲にある部分を導波部材端部と呼ぶことにする。チョーク構造１５０Ｌは、導波部材端部と、導波部材１２２Ｌの当該一端に対して間隙を空けて第５導電性表面１４０ａ上に配置された一本以上の導電性のロッド１２４Ｌとを含む。導波部材端部のＹ方向における長さは、チョークリッジ１２２ＣｈのＹ方向の長さと同程度である。このようなチョーク構造１５０Ｌにより、第２導波部材１２２Ｌに沿って伝搬する信号波の漏洩が抑制される。
本実施形態においては、送信時に送信機から供給された信号波は、第２導波部材１２２Ｌの導波面１２２Ｌａに沿って伝搬し、ポート１４５を通過して２方向に分岐する。分岐した信号波は、第１導波部材１２２Ｕの導波面１２２Ｕａに沿って伝搬し、４つのスロット１１２を励振する。導波面１２２Ｕａに垂直な方向から見て、４つのスロット１１２は、ポート１４５に対して対称に配置されている。これらのスロット１１２の中心間距離は、自由空間における信号波の波長よりも短い。この様な構成であっても、導波面１２２Ｕａ上に配置された複数の凹部が、導波路内における信号波の波長を短縮する作用を発揮するため、４つのスロット１１２は同じ位相で励振され得る。４つのスロット１１２の内、ポート１４５に隣接する２つのスロット１１２は、ポート１４５からの距離が等しいため、導波面１２２Ｕａ上に複数の凹部を配置しなくとも、同じ位相で励振される。なお、他の目的、例えば、サイドローブを低減する等の目的のために、複数のスロット１１２を異なる位相で励振してもよい。
次に、本実施形態の変形例を説明する。
図２１Ｂは、本実施形態の第１の変形例を示す断面図である。この変形例では、第２導波部材１２２Ｌおよび複数の導電性ロッド１２４Ｌが、第３導電部材１４０の第５導電性表面１４０ａではなく第２導電部材１２０の第４導電性表面１２０ｂに配置されている。したがって、チョーク構造１５０Ｌも第４導電性表面１２０ｂに設けられている。第２導波部材１２２Ｌの導波面１２２Ｌａは、第５導電性表面１４０ａに対向している。第２導波部材１２２Ｌは、第５導電性表面１４０ａに沿って延びている。
第２導波部材１２２Ｌの端面は、ポート１４５の内壁面に接続されている。第２導波部材１２２Ｌの端面と、ポート１４５の内壁面との間には段差がないが、段差があってもよい。チョーク構造１５０Ｌは、第１導電部材１１０上のチョーク構造１５０Ｕと同様に、チョークリッジ１２２Ｌｃｈおよび１本以上の導電性ロッド１２４Ｌを含む。
この変形例では、第５導電性表面１４０ａ、導波面１２２Ｌａ、および導波部材１２２Ｌの両側の人工磁気導体は、第５導電性表面１４０ａと導波面１２２Ｌａとの間隙に第２の導波路を規定する。第２の導波路は、ポート１４５を介して、導波部材１２２Ｕの導波面１２２Ｕａと第３導電性表面１２０ａとの間の第１の導波路に接続される。第２の導波路は、直接的に、または不図示の他の導波路を介して、送信機または受信機に接続される。
図２１Ａおよび図２１Ｂに示す例では、第１導電部材１１０は、導波部材１２２Ｕが延びるＹ方向に沿って並ぶ４個のスロット１１２を含んでいる。スロット１１２は４個に限らず、５個、或いはそれ以上であっても良い。また、スロット１１２は、ポート１４５に対して対称に配置されなくてもよい。例えば、ポート１４５の＋Ｙ側に３つ、−Ｙ側に２つのポートが配置されても良い。
図２１Ｃは、本実施形態の他の変形例を示す断面図である。この例では、第２導電部材１２０におけるポート１４５が、導波部材１２２Ｕの一端に近い位置にある。このため、導波部材１２２Ｕの一端から他端に向けて信号波が伝搬する。このように、導波部材１２２Ｕの端部から給電してもよい。図２１Ｃの例において、第２導波部材１２２Ｌおよびその両側の人工磁気導体は、図２１Ｂに示すように第２導電部材１２０側にあってもよい。そのような構成であっても、同様の特性を得ることができる。
以上の実施形態では、各導電部材は、１つの導波部材を備えているが、複数の導波部材を備えていてもよい。
なお、図２１Ａから図２１Ｃで示した実施形態において、導波面１２２Ｌａ上の凹部は周期的に配置されているが、配置は必ずしも周期的である必要はない。また、凹部である必要もない。図９Ａから図９Ｅに示した凹部や凸部を、目的に応じて選択することが可能である。図１２、図１３Ａから図１３Ｃに示した凹部や凸部を、選択しても良い。
図２２は、複数の導波部材１２２を備えるアンテナ装置３００の一例を示す斜視図である。このアンテナ装置３００は、第１導電部材１１０の第２導電性表面１１０ａ上にあるリッジ状の複数の導波部材１２２を備える。第１導電部材１１０は、複数のスロット１１２を含む。複数の導波部材１２２の各々は、共通の線上に延びる複数のリッジを有する。複数の導波部材１２２の導波面に垂直な方向から見て、複数のスロット１１２の各々は、複数のリッジのうちの隣り合う２つのリッジの間に位置している。図２２の例では、スロット１１２は一次元的に並んでいるが、二次元的に並んでいてもよい。複数のスロット１１２には、不図示の給電路において分岐した同一の信号波が供給されてもよいし、異なる信号波が供給されてもよい。
実施形態１から３における導波部材１２２の導波面１２２ａには、複数の凹部１２２ｄが設けられている。これらの凹部１２２ｄに代えて、隣り合う部位よりも幅の小さい狭小部を設けたり、凸部または幅広部を設けたりしてもよい。凹部または凸部は、導波面１２２ａに対向する第２導電部材１２０の第３導電性表面１２０ａに設けてもよい。これらの付加要素を適切に配置することにより、各スロット１１２の位置における信号波の位相差を目的に応じて調整することができる。
＜他の変形例＞
次に、図２３を参照しながら、ポート１４５またはスロット１１１、１１２の断面形状の例をより詳細に説明する。以下の説明では、ポート１４５およびスロット１１１、１１２をまとめて「貫通孔」と称することがある。本開示の実施形態におけるいずれのポート１４５またはスロット１１１、１１２についても、以下の変形が可能である。
図２３における（ａ）は、楕円形状の貫通孔１４００ａの例を示している。図中において矢印で示す貫通孔１４００ａの長半径Ｌａは、高次の共振が起こらず、かつ、インピーダンスが小さくなり過ぎないように設定される。より具体的には、Ｌａは、動作周波数帯域の中心周波数に対応する自由空間中での波長をλｏとして、λｏ／４＜Ｌａ＜λｏ／２に設定され得る。
図２３における（ｂ）は、一対の縦部分１１３Ｌおよび一対の縦部分１１３Ｌを繋ぐ横部分１１３Ｔを有するＨ型形状を有する貫通孔１４００ｂの例を示している。横部分１１３Ｔは、一対の縦部分１１３Ｌにほぼ垂直であり、一対の縦部分１１３Ｌのほぼ中央部同士を繋いでいる。このようなＨ型形状の貫通孔１４００ｂでも、高次の共振が起こらず、かつ、インピーダンスが小さくなり過ぎないように、その形状およびサイズが決定される。横部分１１３Ｔの中心線ｇ２と横部分１１３Ｔに垂直なＨ型形状全体の中心線ｈ２との交点と、中心線ｇ２と縦部分１１３Ｌの中心線ｋ２との交点との間の距離をＬｂとする。中心線ｇ２と中心線ｋ２との交点と、縦部分１１３Ｌの端部との距離をＷｂとする。ＬｂとＷｂとの和は、λｏ／４＜Ｌｂ＋Ｗｂ＜λｏ／２を満たすように設定される。距離Ｗｂを相対的に長くすることにより、距離Ｌｂを相対的に短くすることができる。これによりＨ型形状のＸ方向の幅を例えばλｏ／２未満にでき、横部分１１３Ｔの長さ方向の間隔を短縮することができる。
図２３における（ｃ）は、横部分１１３Ｔおよび横部分１１３Ｔの両端から延びる一対の縦部分１１３Ｌを有する貫通孔１４００ｃの例を示している。一対の縦部分１１３Ｌの横部分１１３Ｔから延びる方向は横部分１１３Ｔにほぼ垂直であり、互いに逆である。横部分１１３Ｔの中心線ｇ３と横部分１１３Ｔに垂直な全体形状の中心線ｈ３との交点と、中心線ｇ３と縦部分１１３Ｌの中心線ｋ３との交点との間の距離をＬｃとする。中心線ｇ３と中心線ｋ３との交点と、縦部分１１３Ｌの端部との距離をＷｃとする。ＬｃとＷｃとの和は、λｏ／４＜Ｌｃ＋Ｗｃ＜λｏ／２を満たすように設定される。距離Ｗｃを相対的に長くすることにより、距離Ｌｃを相対的に短くすることができる。これにより、図２３における（ｃ）の全体形状のＸ方向の幅を、例えばλｏ／２未満にでき、横部分１１３Ｔの長さ方向の間隔を短縮することができる。
図２３における（ｄ）は、横部分１１３Ｔおよび横部分１１３Ｔの両端から横部分１１３Ｔに垂直な同じ方向に延びる一対の縦部分１１３Ｌを有する貫通孔１４００ｄの例を示している。このような形状を、本明細書では「Ｕ字形状」と称することがある。なお、図２３における（ｄ）に示す形状は、Ｈ字形状の上半分の形状と考えることもできる。横部分１１３Ｔの中心線ｇ４と横部分１１３Ｔに垂直なＵ字形状全体の中心線ｈ４との交点と、中心線ｇ４と縦部分１１３Ｌの中心線ｋ４との交点との間の距離をＬｄとする。中心線ｇ４と中心線ｋ４との交点と、縦部分１１３Ｌの端部との距離をＷｄとする。ＬｄとＷｄとの和は、λｏ／４＜Ｌｄ＋Ｗｄ＜λｏ／２を満たすように設定される。距離Ｗｄを相対的に長くすることにより、距離Ｌｄを相対的に短くすることができる。これにより、Ｕ形状のＸ方向の幅を、例えばλｏ／２未満にでき、横部分１１３Ｔの長さ方向の間隔を短縮することができる。
次に、導波部材１２２、導電部材１１０、１２０、および導電性ロッド１２４を有する導波路構造の変形例を説明する。以下の変形例は、前述の各実施形態におけるいずれの箇所のＷＲＧ構造にも適用され得る。
図２４Ａは、導波部材１２２の上面である導波面１２２ａのみが導電性を有し、導波部材１２２の導波面１２２ａ以外の部分は導電性を有していない構造の例を示す断面図である。導電部材１１０および導電部材１２０も同様に、導波部材１２２が位置する側の表面（導電性表面１１０ａ、１２０ａ）のみが導電性を有し、他の部分は導電性を有していない。このように、導波部材１２２、導電部材１１０、１２０の各々は、全体が導電性を有していなくてもよい。
図２４Ｂは、導波部材１２２が導電部材１２０上に形成されていない変形例を示す図である。この例では、導波部材１２２は、導電部材１１０と導電部材とを支持する支持部材（例えば、筐体の内壁等）に固定されている。導波部材１２２と導電部材１２０との間には間隙が存在する。このように、導波部材１２２は導電部材１２０に接続されていなくてもよい。
図２４Ｃは、導電部材１２０、導波部材１２２、および複数の導電性ロッド１２４の各々が、誘電体の表面に金属などの導電性材料がコーティングされた構造の例を示す図である。導電部材１２０、導波部材１２２、および複数の導電性ロッド１２４は、相互に導電体で接続されている。一方、導電部材１１０は、金属などの導電性材料で構成されている。
図２４Ｄおよび図２４Ｅは、導電部材１１０、１２０、導波部材１２２、および導電性ロッド１２４の各々の最表面に、誘電体の層１１０ｃ、１２０ｃを有する構造の例を示す図である。図２４Ｄは、導体である金属製の導電部材の表面を誘電体の層で覆った構造の例を示す。図２４Ｅは、導電部材１２０が、樹脂などの誘電体製の部材の表面を、金属などの導体で覆い、さらにその金属の層を誘電体の層で覆った構造を有する例を示す。金属表面を覆う誘電体の層は樹脂などの塗膜であってもよいし、当該金属が酸化する事で生成された不動態皮膜などの酸化皮膜であってもよい。
最表面の誘電体層は、ＷＲＧ導波路によって伝播される電磁波の損失を増やす。しかし、導電性を有する導電性表面１１０ａ、１２０ａを腐食から守ることができる。また、直流電圧や、ＷＲＧ導波路によっては伝播されない程度に周波数の低い交流電圧の影響を遮断することができる。
図２４Ｆは、導波部材１２２の高さが導電性ロッド１２４の高さよりも低く、導電部材１１０の導電性表面１１０ａのうち、導波面１２２ａに対向する部分が、導波部材１２２の側に突出している例を示す図である。このような構造であっても、図４に示す寸法の範囲を満たしていれば、前述の実施形態と同様に動作する。
図２４Ｇは、図２４Ｆの構造において、さらに、導電性表面１１０ａのうち導電性ロッド１２４に対向する部分が、導電性ロッド１２４の側に突出している例を示す図である。このような構造であっても、図４に示す寸法の範囲を満たしていれば、前述の実施形態と同様に動作する。なお、導電性表面１１０ａの一部が突出する構造に代えて、一部が窪む構造であってもよい。
図２５Ａは、導電部材１１０の導電性表面１１０ａが曲面形状を有する例を示す図である。図２５Ｂは、さらに、導電部材１２０の導電性表面１２０ａも曲面形状を有する例を示す図である。これらの例のように、導電性表面１１０ａ、１２０ａは、平面形状に限らず、曲面形状を有していてもよい。曲面状の導電性表面を有する導電部材も、「板形状」の導電部材に該当する。
上記の構成を有する導波路装置１００によれば、動作周波数の信号波は、人工磁気導体の表面１２５と導電部材１１０の導電性表面１１０ａとの間の空間を伝搬することはできず、導波部材１２２の導波面１２２ａと導電部材１１０の導電性表面１１０ａとの間の空間を伝搬する。このような導波路構造における導波部材１２２の幅は、中空導波管とは異なり、伝搬すべき電磁波の半波長以上の幅を有する必要はない。また、導電部材１１０と導電部材１２０とを厚さ方向（ＹＺ面に平行）に延びる金属壁によって電気的に接続する必要もない。
本開示の実施形態におけるスロットアンテナ装置は、例えば車両、船舶、航空機、ロボット等の移動体に搭載されるレーダ装置またはレーダシステムに好適に用いられ得る。レーダ装置は、上述したいずれかの実施形態におけるスロットアンテナ装置と、当該スロットアンテナ装置に接続されたマイクロ波集積回路とを備える。レーダシステムは、当該レーダ装置と、当該レーダ装置のマイクロ波集積回路に接続された信号処理回路とを備える。本開示の実施形態のスロットアンテナ装置は、小型化が可能な多層のＷＲＧ構造を備えているため、従来の中空導波管を用いた構成と比較して、アンテナ素子が配列される面の面積を著しく小さくすることができる。このため、当該アンテナ装置を搭載したレーダシステムを、例えば車両のリアビューミラーの鏡面の反対側の面のような狭小な場所、またはＵＡＶ（Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ、所謂ドローン）のような小型の移動体にも容易に搭載することができる。なお、レーダシステムは、車両に搭載される形態の例に限定されず、例えば道路または建物に固定されて使用され得る。
本開示の実施形態におけるスロットアンテナ装置は、無線通信システムにも利用できる。そのような無線通信システムは、上述したいずれかの実施形態におけるスロットアンテナ装置と、通信回路（送信回路または受信回路）とを備える。無線通信システムへの応用例の詳細については、後述する。
本開示の実施形態におけるスロットアンテナ装置は、さらに、屋内測位システム（ＩＰＳ：Ｉｎｄｏｏｒ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）におけるアンテナとしても利用することができる。屋内測位システムでは、建物内にいる人、または無人搬送車（ＡＧＶ：Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｇｕｉｄｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などの移動体の位置を特定することができる。アンテナ装置はまた、店舗または施設に来場した人が有する情報端末（スマートフォン等）に情報を提供するシステムにおいて用いられる電波発信機（ビーコン）に用いることもできる。そのようなシステムでは、ビーコンは、例えば数秒に１回、ＩＤなどの情報を重畳した電磁波を発する。その電磁波を情報端末が受信すると、情報端末は、通信回線を介して遠隔地のサーバコンピュータに、受け取った情報を送信する。サーバコンピュータは、情報端末から得た情報から、その情報端末の位置を特定し、その位置に応じた情報（例えば、商品案内またはクーポン）を、当該情報端末に提供する。
なお、本明細書では、本発明者の一人である桐野による論文（非特許文献１）、および同時期に関連する内容の研究を発表したKildalらの論文の記載を尊重して、「人工磁気導体」という用語を用いて本開示の技術を記載している。しかし、本発明者らの検討の結果、本開示に係る発明には、従来の定義における「人工磁気導体」を必ずしも必須としないことが明らかになってきている。即ち、人工磁気導体には、周期構造が必須であると考えられてきたが、本開示に係る発明を実施するためには、必ずしも周期構造は必須ではない。
本開示において、人工磁気導体は導電性ロッドの列で実現している。よって、導波面から離れる方向に漏れ出てゆく電磁波を止めるためには、導波部材（リッジ）に沿って並ぶ導電性ロッドの列が、導波部材の片側に少なくとも２つあることが必須であると考えられてきた。導電性ロッド列の配置「周期」は、列が最低限２本なければ存在しないからである。しかし、本発明者の検討によれば、平行して延びる２つの導波部材の間に、導電性ロッドの列が１列しか配置されていない場合でも、一方の導波部材から他方の導波部材に漏れ出る信号の強度は−１０ｄＢ以下に抑えられる。これは、多くの用途において実用上十分な値である。不完全な周期構造しか持たない状態で、この様な十分なレベルの分離が達成される理由は、今のところ不明である。しかし、この事実を考慮し、本開示においては、「人工磁気導体」という概念を拡張し、「人工磁気導体」の用語が、便宜上導電性ロッドが１列のみ配置された構造をも包含することとする。
＜応用例１：車載レーダシステム＞
次に、上述したスロットアレーアンテナを利用する応用例として、スロットアレーアンテナを備えた車載レーダシステムの一例を説明する。車載レーダシステムに利用される送信波は、例えば７６ギガヘルツ（ＧＨｚ）帯の周波数を有し、その自由空間中の波長λｏは約４ｍｍである。
自動車の衝突防止システムおよび自動運転などの安全技術には、特に自車両の前方を走行する１または複数の車両（物標）の識別が不可欠である。車両の識別方法として、従来、レーダシステムを用いた到来波の方向を推定する技術の開発が進められてきた。
図２６は、自車両５００と、自車両５００と同じ車線を走行している先行車両５０２とを示す。自車両５００は、上述したいずれかの実施形態におけるスロットアレーアンテナを有する車載レーダシステムを備えている。自車両５００の車載レーダシステムが高周波の送信信号を放射すると、その送信信号は先行車両５０２に到達して先行車両５０２で反射され、その一部は再び自車両５００に戻る。車載レーダシステムは、その信号を受信して、先行車両５０２の位置、先行車両５０２までの距離、速度等を算出する。
図２７は、自車両５００の車載レーダシステム５１０を示す。車載レーダシステム５１０は車内に配置されている。より具体的には、車載レーダシステム５１０は、リアビューミラーの鏡面と反対側の面に配置されている。車載レーダシステム５１０は、車内から車両５００の進行方向に向けて高周波の送信信号を放射し、進行方向から到来した信号を受信する。
本応用例による車載レーダシステム５１０は、本開示の実施形態におけるスロットアレーアンテナを有している。スロットアレーアンテナは、互いに平行な複数の導波部材を有し得る。複数の導波部材の各々が延びる方向が鉛直方向に一致し、複数の導波部材の配列方向が水平方向に一致するように配置される。このため、複数のスロットを正面から見たときの横方向および縦方向の寸法をより小さくできる。
上述のアレーアンテナを含むアンテナ装置の寸法の一例は、横×縦×奥行きが、６０×３０×１０ｍｍである。７６ＧＨｚ帯のミリ波レーダシステムのサイズとしては非常に小型であることが理解される。
なお、従来の多くの車載レーダシステムは、車外、例えばフロントノーズの先端部に設置されている。その理由は、車載レーダシステムのサイズが比較的大きく、本開示のように車内に設置することが困難であるからである。本応用例による車載レーダシステム５１０は、前述のように車内に設置できるが、フロントノーズの先端に搭載してもよい。フロントノーズにおいて、車載レーダシステムが占める領域を減少させられるため、他の部品の配置が容易になる。
本応用例によれば、送信アンテナに用いられる複数の導波部材（リッジ）の間隔を狭くすることができるため、隣接する複数の導波部材に対向して設けられる複数のスロットの間隔も狭くすることができる。これにより、グレーティングローブの影響を抑制することができる。例えば、横方向に隣接する２つのスロットの中心間隔を送信波の自由空間波長λｏよりも短く（約４ｍｍ未満に）した場合には、グレーティングローブは前方には発生しない。これにより、グレーティングローブの影響を抑制できる。なお、グレーティングローブは、アンテナ素子の配列間隔が電磁波の波長の半分よりも大きくなると出現する。しかし、配列間隔が波長未満であればグレーティングローブは前方には現れない。このため、アレーアンテナを構成する各アンテナ素子から放射される電波に位相差を付与するビームステアリングを行わない場合は、アンテナ素子の配置間隔が波長よりも小さければ、グレーティングローブは実質的には影響しない。送信アンテナのアレーファクタを調整することにより、送信アンテナの指向性を調整することができる。複数の導波部材上を伝送される電磁波の位相を個別に調整できるように、位相シフタを設けてもよい。その場合は、グレーティングローブの影響を避けるために、アンテナ素子の配置間隔を送信波の自由空間波長λｏ未満にすることが好ましい。その場合でも、位相のシフト量を増加させると、グレーティングローブが現れる。しかし、アンテナ素子の配置間隔を送信波の自由空間波長λｏの半分未満にまで短縮した場合は、位相のシフト量に関わらずグレーティングローブは現れない。位相シフタを設けることにより、送信アンテナの指向性を任意の方向に変更することができる。位相シフタの構成は周知であるため、その構成の説明は省略する。
本応用例における受信アンテナは、グレーティングローブに由来する反射波の受信を低減できるため、以下に説明する処理の精度を向上させることができる。以下、受信処理の一例を説明する。
図２８Ａは、車載レーダシステム５１０のアレーアンテナＡＡと、複数の到来波ｋ（ｋ：１〜Ｋの整数；以下同じ。Ｋは異なる方位に存在する物標の数。）との関係を示している。アレーアンテナＡＡは、直線状に配列されたＭ個のアンテナ素子を有する。原理上、アンテナは送信および受信の両方に利用することが可能であるため、アレーアンテナＡＡは送信アンテナおよび受信アンテナの両方を含み得る。以下では受信アンテナが受信した到来波を処理する方法の例を説明する。
アレーアンテナＡＡは、様々な角度から同時に入射する複数の到来波を受ける。複数の到来波の中には、同じ車載レーダシステム５１０の送信アンテナから放射され、物標で反射された到来波が含まれる。さらに、複数の到来波の中には、他の車両から放射された直接的または間接的な到来波も含まれる。
到来波の入射角度（すなわち到来方向を示す角度）は、アレーアンテナＡＡのブロードサイドＢを基準とする角度を表している。到来波の入射角度は、アンテナ素子群が並ぶ直線方向に垂直な方向に対する角度を表す。
いま、ｋ番目の到来波に注目する。「ｋ番目の到来波」とは、異なる方位に存在するＫ個の物標からアレーアンテナにＫ個の到来波が入射しているときにおける、入射角θkによって識別される到来波を意味する。
図２８Ｂは、ｋ番目の到来波を受信するアレーアンテナＡＡを示している。アレーアンテナＡＡが受信した信号は、Ｍ個の要素を持つ「ベクトル」として、数１のように表現できる。
（数１）
Ｓ＝［ｓ1，ｓ2，…，ｓM］T
ここで、ｓm（ｍ：１〜Ｍの整数；以下同じ。）は、ｍ番目のアンテナ素子が受信した信号の値である。上付きのＴは転置を意味する。Ｓは列ベクトルである。列ベクトルＳは、アレーアンテナの構成によって決まる方向ベクトル（ステアリングベクトルまたはモードベクトルと称する。）と、物標（波源または信号源とも称する。）における信号を示す複素ベクトルとの積によって与えられる。波源の個数がＫであるとき、各波源から個々のアンテナ素子に到来する信号の波が線形的に重畳される。このとき、ｓmは数２のように表現できる。
Figure 2020517175
数２におけるａk、θkおよびφkは、それぞれ、ｋ番目の到来波の振幅、到来波の入射角度、および初期位相である。λは到来波の波長を示し、ｊは虚数単位である。
数２から理解されるように、ｓmは、実部（Ｒｅ）と虚部（Ｉｍ）とから構成される複素数として表現されている。
ノイズ（内部雑音または熱雑音）を考慮してさらに一般化すると、アレー受信信号Ｘは数３のように表現できる。
（数３）
Ｘ＝Ｓ＋Ｎ
Ｎはノイズのベクトル表現である。
信号処理回路は、数３に示されるアレー受信信号Ｘを用いて到来波の自己相関行列Ｒｘｘ（数４）を求め、さらに自己相関行列Ｒｘｘの各固有値を求める。
Figure 2020517175
ここで、上付きのＨは複素共役転置（エルミート共役）を表す。
求めた複数の固有値のうち、熱雑音によって定まる所定値以上の値を有する固有値（信号空間固有値）の個数が、到来波の個数に対応する。そして、反射波の到来方向の尤度が最も大きくなる（最尤度となる）角度を算出することにより、物標の数および各物標が存在する角度を特定することができる。この処理は、最尤推定法として公知である。
次に、図２９を参照する。図２９は、本開示による車両走行制御装置６００の基本構成の一例を示すブロック図である。図２９に示される車両走行制御装置６００は、車両に実装されたレーダシステム５１０と、レーダシステム５１０に接続された走行支援電子制御装置５２０とを備えている。レーダシステム５１０は、アレーアンテナＡＡと、レーダ信号処理装置５３０とを有している。
アレーアンテナＡＡは、複数のアンテナ素子を有しており、その各々が１個または複数個の到来波に応答して受信信号を出力する。上述のように、アレーアンテナＡＡは高周波のミリ波を放射することも可能である。
レーダシステム５１０のうち、アレーアンテナＡＡは車両に取り付けられる必要がある。しかしながらレーダ信号処理装置５３０の少なくとも一部の機能は、車両走行制御装置６００の外部（例えば自車両の外）に設けられたコンピュータ５５０およびデータベース５５２によって実現されてもよい。その場合、レーダ信号処理装置５３０のうちで車両内に位置する部分は、車両の外部に設けられたコンピュータ５５０およびデータベース５５２に、信号またはデータの双方向通信が行えるように、常時または随時に接続され得る。通信は、車両が備える通信デバイス５４０、および一般の通信ネットワークを介して行われる。
データベース５５２は、各種の信号処理アルゴリズムを規定するプログラムを格納していてもよい。レーダシステム５１０の動作に必要なデータおよびプログラムの内容は、通信デバイス５４０を介して外部から更新され得る。このように、レーダシステム５１０の少なくとも一部の機能は、クラウドコンピューティングの技術により、自車両の外部(他の車両の内部を含む)において実現し得る。したがって、本開示における「車載」のレーダシステムは、構成要素のすべてが車両に搭載されていることを必要としない。ただし、本願では、簡単のため、特に断らない限り、本開示の構成要素のすべてが１台の車両（自車両）に搭載されている形態を説明する。
レーダ信号処理装置５３０は、信号処理回路５６０を有している。この信号処理回路５６０は、アレーアンテナＡＡから直接または間接に受信信号を受け取り、受信信号、または受信信号から生成した二次信号を到来波推定ユニットＡＵに入力する。受信信号から二次信号を生成する回路（不図示）の一部または全部は、信号処理回路５６０の内部に設けられている必要はない。このような回路（前処理回路）の一部または全部は、アレーアンテナＡＡとレーダ信号処理装置５３０との間に設けられていてもよい。
信号処理回路５６０は、受信信号または二次信号を用いて演算を行い、到来波の個数を示す信号を出力するように構成されている。ここで、「到来波の個数を示す信号」は、自車両の前方を走行する１または複数の先行車両の数を示す信号ということができる。
この信号処理回路５６０は、公知のレーダ信号処理装置が実行する各種の信号処理を実行するように構成されていればよい。例えば、信号処理回路５６０は、ＭＵＳＩＣ法、ＥＳＰＲＩＴ法、およびＳＡＧＥ法などの「超分解能アルゴリズム」（スーパーレゾリューション法）、または相対的に分解能が低い他の到来方向推定アルゴリズムを実行するように構成され得る。
図２９に示す到来波推定ユニットＡＵは、任意の到来方向推定アルゴリズムにより、到来波の方位を示す角度を推定し、推定結果を示す信号を出力する。信号処理回路５６０は、到来波推定ユニットＡＵによって実行される公知のアルゴリズムにより、到来波の波源である物標までの距離、物標の相対速度、物標の方位を推定し、推定結果を示す信号を出力する。
本開示における「信号処理回路」の用語は、単一の回路に限られず、複数の回路の組み合わせを概念的に１つの機能部品として捉えた態様も含む。信号処理回路５６０は、１個または複数のシステムオンチップ（ＳｏＣ）によって実現されてもよい。例えば、信号処理回路５６０の一部または全部がプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）であるＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）であってもよい。その場合、信号処理回路５６０は、複数の演算素子（例えば汎用ロジックおよびマルチプライヤ）および複数のメモリ素子（例えばルックアップテーブルまたはメモリブロック）を含む。または、信号処理回路５６０は、汎用プロセッサおよびメインメモリ装置の集合であってもよい。信号処理回路５６０は、プロセッサコアとメモリとを含む回路であってもよい。これらは信号処理回路５６０として機能し得る。
走行支援電子制御装置５２０は、レーダ信号処理装置５３０から出力される各種の信号に基づいて車両の走行支援を行うように構成されている。走行支援電子制御装置５２０は、所定の機能を発揮するように各種の電子制御ユニットに指示を行う。所定の機能は、例えば、先行車両までの距離（車間距離）が予め設定された値よりも短くなったときに警報を発してドライバにブレーキ操作を促す機能、ブレーキを制御する機能、アクセルを制御する機能を含む。例えば、自車両のアダプティブクルーズコントロールを行う動作モードのとき、走行支援電子制御装置５２０は、各種の電子制御ユニット（不図示）およびアクチュエータに所定の信号を送り、自車両から先行車両までの距離を予め設定された値に維持したり、自車両の走行速度を予め設定された値に維持したりする。
ＭＵＳＩＣ法による場合、信号処理回路５６０は、自己相関行列の各固有値を求め、それらのうちの熱雑音によって定まる所定値（熱雑音電力）より大きい固有値（信号空間固有値）の個数を示す信号を、到来波の個数を示す信号として出力する。
次に、図３０を参照する。図３０は、車両走行制御装置６００の構成の他の例を示すブロック図である。図３０の車両走行制御装置６００におけるレーダシステム５１０は、受信専用のアレーアンテナ（受信アンテナとも称する。）Ｒｘおよび送信専用のアレーアンテナ（送信アンテナとも称する。）Ｔｘを含むアレーアンテナＡＡと、物体検知装置５７０とを有している。
送信アンテナＴｘおよび受信アンテナＲｘの少なくとも一方は、上述した導波路構造を有している。送信アンテナＴｘは、例えばミリ波である送信波を放射する。受信専用の受信アンテナＲｘは、１個または複数個の到来波（例えばミリ波）に応答して受信信号を出力する。
送受信回路５８０は、送信波のための送信信号を送信アンテナＴｘに送り、また、受信アンテナＲｘで受けた受信波による受信信号の「前処理」を行う。前処理の一部または全部は、レーダ信号処理装置５３０の信号処理回路５６０によって実行されてもよい。送受信回路５８０が行う前処理の典型的な例は、受信信号からビート信号を生成すること、および、アナログ形式の受信信号をデジタル形式の受信信号に変換することを含み得る。
なお、本明細書では、送信アンテナと、受信アンテナと、送受信回路と、送信アンテナおよび受信アンテナと送受信回路との間で電磁波を伝搬させる導波路装置とを有する装置を「レーダ装置」 と呼ぶ。また、レーダ装置に加えて、更に物体検知装置等の信号処理装置（信号処理回路を含む）を備える装置を「レーダシステム」と呼ぶ。
なお、本開示によるレーダシステムは、車両に搭載される形態の例に限定されず、道路または建物に固定されて使用され得る。
続いて、車両走行制御装置６００のより具体的な構成の例を説明する。
図３１は、車両走行制御装置６００のより具体的な構成の例を示すブロック図である。図３１に示される車両走行制御装置６００は、レーダシステム５１０と、車載カメラシステム７００とを備えている。レーダシステム５１０は、アレーアンテナＡＡと、アレーアンテナＡＡに接続された送受信回路５８０と、信号処理回路５６０とを有している。
車載カメラシステム７００は、車両に搭載される車載カメラ７１０と、車載カメラ７１０によって取得された画像または映像を処理する画像処理回路７２０とを有している。
本応用例における車両走行制御装置６００は、アレーアンテナＡＡおよび車載カメラ７１０に接続された物体検知装置５７０と、物体検知装置５７０に接続された走行支援電子制御装置５２０とを備えている。この物体検知装置５７０は、前述したレーダ信号処理装置５３０（信号処理回路５６０を含む）に加えて、送受信回路５８０および画像処理回路７２０を含んでいる。物体検知装置５７０は、レーダシステム５１０によって得られる情報だけではなく、画像処理回路７２０によって得られる情報を利用して、道路上または道路近傍における物標を検知することができる。例えば自車両が同一方向の２本以上の車線のいずれかを走行している最中において、自車両が走行している車線がいずれの車線であるかを、画像処理回路７２０によって判別し、その判別の結果を信号処理回路５６０に与えることができる。信号処理回路５６０は、所定の到来方向推定アルゴリズム（例えばＭＵＳＩＣ法）によって先行車両の数および方位を認識するとき、画像処理回路７２０からの情報を参照することにより、先行車両の配置について、より信頼度の高い情報を提供することが可能になる。
なお、車載カメラシステム７００は、自車両が走行している車線がいずれの車線であるかを特定する手段の一例である。他の手段を利用して自車両の車線位置を特定してもよい。例えば、超広帯域無線（ＵＷＢ：Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）を利用して、複数車線のどの車線を自車両が走行しているかを特定することができる。超広帯域無線が位置測定および／またはレーダとして利用可能なことは広く知られている。超広帯域無線を利用すれば、レーダの距離分解能が高まるため、前方に多数の車両が存在する場合でも、距離の差に基づいて個々の物標を区別して検知できる。このため、路肩のガードレール、または中央分離帯からの距離を精度よく特定することが可能である。各車線の幅は、各国の法律などで予め定められている。これらの情報を利用して、自車両が現在走行中の車線の位置を特定することができる。なお、超広帯域無線は一例である。他の無線による電波を利用してもよい。また、ライダー（ＬＩＤＡＲ：Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）をレーダと組み合わせて用いてもよい。ＬＩＤＡＲは、レーザレーダと呼ばれることもある。
アレーアンテナＡＡは、一般的な車載用ミリ波アレーアンテナであり得る。本応用例における送信アンテナＴｘは、ミリ波を送信波として車両の前方に放射する。送信波の一部は、典型的には先行車両である物標によって反射される。これにより、物標を波源とする反射波が発生する。反射波の一部は、到来波としてアレーアンテナ（受信アンテナ）ＡＡに到達する。アレーアンテナＡＡを構成している複数のアンテナ素子の各々は、１個または複数個の到来波に応答して、受信信号を出力する。反射波の波源として機能する物標の個数がＫ個（Ｋは１以上の整数）である場合、到来波の個数はＫ個であるが、到来波の個数Ｋは既知ではない。
図２９の例では、レーダシステム５１０はアレーアンテナＡＡも含めて一体的にリアビューミラーに配置されるとした。しかしながら、アレーアンテナＡＡの個数および位置は、特定の個数および特定の位置に限定されない。アレーアンテナＡＡは、車両の後方に位置する物標を検知できるように車両の後面に配置されてもよい。また、車両の前面または後面に複数のアレーアンテナＡＡが配置されていてもよい。アレーアンテナＡＡは、車両の室内に配置されていてもよい。アレーアンテナＡＡとして、各アンテナ素子が上述したホーンを有するホーンアンテナが採用される場合でも、そのようなアンテナ素子を備えるアレーアンテナは車両の室内に配置され得る。
信号処理回路５６０は、受信アンテナＲｘによって受信され、送受信回路５８０によって前処理された受信信号を受け取り、処理する。この処理は、受信信号を到来波推定ユニットＡＵに入力すること、または、受信信号から二次信号を生成して二次信号を到来波推定ユニットＡＵに入力すること、を含む。
図３１の例では、信号処理回路５６０から出力される信号および画像処理回路７２０から出力される信号を受け取る選択回路５９６が物体検知装置５７０内に設けられている。選択回路５９６は、信号処理回路５６０から出力される信号および画像処理回路７２０から出力される信号の一方または両方を走行支援電子制御装置５２０に与える。
図３２は、本応用例におけるレーダシステム５１０のより詳細な構成例を示すブロック図である。
図３２に示すように、アレーアンテナＡＡは、ミリ波の送信を行う送信アンテナＴｘと、物標で反射された到来波を受信する受信アンテナＲｘとを備えている。図面上では送信アンテナＴｘは１つであるが、特性の異なる２種類以上の送信アンテナが設けられていてもよい。アレーアンテナＡＡは、Ｍ個（Ｍは３以上の整数）のアンテナ素子１１1、１１2、・・・、１１Mを備えている。複数のアンテナ素子１１1、１１2、・・・、１１Mの各々は、到来波に応答して、受信信号ｓ1、ｓ2、・・・、ｓM（図２８Ｂ）を出力する。
アレーアンテナＡＡにおいて、アンテナ素子１１1〜１１Mは、例えば、固定された間隔を空けて直線状または面状に配列されている。到来波は、アンテナ素子１１1〜１１Mが配列されている面の法線に対する角度θの方向からアレーアンテナＡＡに入射する。このため、到来波の到来方向は、この角度θによって規定される。
１個の物標からの到来波がアレーアンテナＡＡに入射するとき、アンテナ素子１１1〜１１Mには、同一の角度θの方位から平面波が入射すると近似できる。異なる方位にあるＫ個の物標からアレーアンテナＡＡにＫ個の到来波が入射しているとき、相互に異なる角度θ1〜θKによって個々の到来波を識別することができる。
図３２に示されるように、物体検知装置５７０は、送受信回路５８０と信号処理回路５６０とを含む。
送受信回路５８０は、三角波生成回路５８１、ＶＣＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ−Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ−Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ：電圧制御可変発振器）５８２、分配器５８３、ミキサ５８４、フィルタ５８５、スイッチ５８６、Ａ／Ｄコンバータ５８７、制御器５８８を備える。本応用例におけるレーダシステムは、ＦＭＣＷ方式でミリ波の送受信を行うように構成されているが、本開示のレーダシステムは、この方式に限定されない。送受信回路５８０は、アレーアンテナＡＡからの受信信号と送信アンテナＴｘのための送信信号とに基づいて、ビート信号を生成するように構成されている。
信号処理回路５６０は、距離検出部５３３、速度検出部５３４、方位検出部５３６を備える。信号処理回路５６０は、送受信回路５８０のＡ／Ｄコンバータ５８７からの信号を処理し、検出された物標までの距離、物標の相対速度、物標の方位を示す信号をそれぞれ出力するように構成されている。
まず、送受信回路５８０の構成および動作を詳細に説明する。
三角波生成回路５８１は三角波信号を生成し、ＶＣＯ５８２に与える。ＶＣＯ５８２は、三角波信号に基づいて変調された周波数を有する送信信号を出力する。図３３は、三角波生成回路５８１が生成した信号に基づいて変調された送信信号の周波数変化を示している。この波形の変調幅はΔｆ、中心周波数はｆ０である。このようにして周波数が変調された送信信号は分配器５８３に与えられる。分配器５８３は、ＶＣＯ５８２から得た送信信号を、各ミキサ５８４および送信アンテナＴｘに分配する。こうして、送信アンテナは、図３３に示されるように三角波状に変調された周波数を有するミリ波を放射する。
図３３には、送信信号に加えて、単一の先行車両で反射された到来波による受信信号の例が記載されている。受信信号は、送信信号に比べて遅延している。この遅延は、自車両と先行車両との距離に比例している。また、受信信号の周波数は、ドップラー効果により、先行車両の相対速度に応じて増減する。
受信信号と送信信号とを混合すると、周波数の差異に基づいてビート信号が生成される。このビート信号の周波数（ビート周波数）は、送信信号の周波数が増加する期間（上り）と、送信信号の周波数が減少する期間（下り）とで異なる。各期間におけるビート周波数が求められると、それらのビート周波数に基づいて、物標までの距離と、物標の相対速度が算出される。
図３４は、「上り」の期間におけるビート周波数ｆｕ、および「下り」の期間におけるビート周波数ｆｄを示している。図３４のグラフにおいて、横軸が周波数、縦軸が信号強度である。このようなグラフは、ビート信号の時間−周波数変換を行うことによって得られる。ビート周波数ｆｕ、ｆｄが得られると、公知の式に基づいて、物標までの距離と、物標の相対速度が算出される。本応用例では、以下に説明する構成および動作により、アレーアンテナＡＡの各アンテナ素子に対応したビート周波数を求め、それに基づいて物標の位置情報を推定することが可能になる。
図３２に示される例において、各アンテナ素子１１1〜１１Mに対応したチャンネルＣｈ1〜ＣｈMからの受信信号は、増幅器によって増幅され、対応するミキサ５８４に入力される。ミキサ５８４の各々は、増幅された受信信号に送信信号を混合する。この混合により、受信信号と送信信号との間にある周波数差に対応したビート信号が生成される。生成されたビート信号は、対応するフィルタ５８５に与えられる。フィルタ５８５は、チャンネルＣｈ1〜ＣｈMのビート信号の帯域制限を行い、帯域制限されたビート信号をスイッチ５８６に与える。
スイッチ５８６は、制御器５８８から入力されるサンプリング信号に応答してスイッチングを実行する。制御器５８８は、例えばマイクロコンピュータによって構成され得る。制御器５８８は、ＲＯＭなどのメモリに格納されたコンピュータプログラムに基づいて、送受信回路５８０の全体を制御する。制御器５８８は、送受信回路５８０の内部に設けられている必要はなく、信号処理回路５６０の内部に設けられていてもよい。つまり、送受信回路５８０は信号処理回路５６０からの制御信号にしたがって動作してもよい。または、送受信回路５８０および信号処理回路５６０の全体を制御する中央演算ユニットなどによって、制御器５８８の機能の一部または全部が実現されていてもよい。
フィルタ５８５の各々を通過したチャンネルＣｈ1〜ＣｈMのビート信号は、スイッチ５８６を介して、順次、Ａ／Ｄコンバータ５８７に与えられる。Ａ／Ｄコンバータ５８７は、スイッチ５８６から入力されるチャンネルＣｈ1〜ＣｈMのビート信号を、サンプリング信号に同期してデジタル信号に変換する。
以下、信号処理回路５６０の構成および動作を詳細に説明する。本応用例では、ＦＭＣＷ方式によって、物標までの距離および物標の相対速度を推定する。レーダシステムは、以下に説明するＦＭＣＷ方式に限定されず、２周波ＣＷまたはスペクトル拡散などの他の方式を用いても実施可能である。
図３２に示される例において、信号処理回路５６０は、メモリ５３１、受信強度算出部５３２、距離検出部５３３、速度検出部５３４、ＤＢＦ（デジタルビームフォーミング）処理部５３５、方位検出部５３６、物標引継ぎ処理部５３７、相関行列生成部５３８、物標出力処理部５３９および到来波推定ユニットＡＵを備えている。前述したように、信号処理回路５６０の一部または全部がＦＰＧＡによって実現されていてもよく、汎用プロセッサおよびメインメモリ装置の集合によって実現されていてもよい。メモリ５３１、受信強度算出部５３２、ＤＢＦ処理部５３５、距離検出部５３３、速度検出部５３４、方位検出部５３６、物標引継ぎ処理部５３７、および到来波推定ユニットＡＵは、それぞれ、別個のハードウェアによって実現される個々の部品であってもよいし、１つの信号処理回路における機能上のブロックであってもよい。
図３５は、信号処理回路５６０がプロセッサＰＲおよびメモリ装置ＭＤを備えるハードウェアによって実現されている形態の例を示している。このような構成を有する信号処理回路５６０も、メモリ装置ＭＤに格納されたコンピュータプログラムの働きにより、図３２に示す受信強度算出部５３２、ＤＢＦ処理部５３５、距離検出部５３３、速度検出部５３４、方位検出部５３６、物標引継ぎ処理部５３７、相関行列生成部５３８、到来波推定ユニットＡＵの機能が果たされ得る。
本応用例における信号処理回路５６０は、デジタル信号に変換された各ビート信号を受信信号の二次信号として、先行車両の位置情報を推定し、推定結果を示す信号を出力するよう構成されている。以下、本応用例における信号処理回路５６０の構成および動作を詳細に説明する。
信号処理回路５６０内のメモリ５３１は、Ａ／Ｄコンバータ５８７から出力されるデジタル信号をチャンネルＣｈ1〜ＣｈMごとに格納する。メモリ５３１は、例えば、半導体メモリ、ハードディスクおよび／または光ディスクなどの一般的な記憶媒体によって構成され得る。
受信強度算出部５３２は、メモリ５３１に格納されたチャンネルＣｈ1〜ＣｈMごとのビート信号（図３３の下図）に対してフーリエ変換を行う。本明細書では、フーリエ変換後の複素数データの振幅を「信号強度」と称する。受信強度算出部５３２は、複数のアンテナ素子のいずれかの受信信号の複素数データ、または、複数のアンテナ素子のすべての受信信号の複素数データの加算値を周波数スペクトルに変換する。こうして得られたスペクトルの各ピーク値に対応するビート周波数、すなわち距離に依存した物標（先行車両）の存在を検出することができる。全アンテナ素子の受信信号の複素数データを加算すると、ノイズ成分が平均化されるため、Ｓ／Ｎ比が向上する。
物標、すなわち先行車両が１個の場合、フーリエ変換の結果、図３４に示されるように、周波数が増加する期間（「上り」の期間）および減少する期間（「下り」の期間）に、それぞれ、１個のピーク値を有するスペクトルが得られる。「上り」の期間におけるピーク値のビート周波数を「ｆｕ」、「下り」の期間におけるピーク値のビート周波数を「ｆｄ」とする。
受信強度算出部５３２は、ビート周波数毎の信号強度から、予め設定された数値（閾値）を超える信号強度を検出することによって、物標が存在していることを判定する。受信強度算出部５３２は、信号強度のピークを検出した場合、ピーク値のビート周波数（ｆｕ、ｆｄ）を対象物周波数として距離検出部５３３、速度検出部５３４へ出力する。受信強度算出部５３２は、周波数変調幅Δｆを示す情報を距離検出部５３３へ出力し、中心周波数ｆ０を示す情報を速度検出部５３４へ出力する。
受信強度算出部５３２は、複数の物標に対応する信号強度のピークが検出された場合には、上りのピーク値と下りのピーク値とを予め定められた条件によって対応づける。同一の物標からの信号と判断されたピークに同一の番号を付与し、距離検出部５３３および速度検出部５３４に与える。
複数の物標が存在する場合、フーリエ変換後、ビート信号の上り部分とビート信号の下り部分のそれぞれに物標の数と同じ数のピークが表れる。レーダと物標の距離に比例して、受信信号が遅延し、図３３における受信信号は右方向にシフトするので、レーダと物標との距離が離れるほど、ビート信号の周波数は、大きくなる。
距離検出部５３３は、受信強度算出部５３２から入力されるビート周波数ｆｕ、ｆｄに基づいて、下記の式により距離Ｒを算出し、物標引継ぎ処理部５３７へ与える。
Ｒ＝｛ｃ・Ｔ／（２・Δｆ）｝・｛（ｆｕ＋ｆｄ）／２｝
また、速度検出部５３４は、受信強度算出部５３２から入力されるビート周波数ｆｕ、ｆｄに基づいて、下記の式によって相対速度Ｖを算出し、物標引継ぎ処理部５３７へ与える。
Ｖ＝｛ｃ／（２・ｆ０）｝・｛（ｆｕ−ｆｄ）／２｝
距離Ｒおよび相対速度Ｖを算出する式において、ｃは光速、Ｔは変調周期である。
なお、距離Ｒの分解能下限値は、ｃ／（２Δｆ）で表される。したがって、Δｆが大きくなるほど、距離Ｒの分解能が高まる。周波数ｆ０が７６ＧＨｚ帯の場合において、Δｆを６６０メガヘルツ（ＭＨｚ）程度に設定するとき、距離Ｒの分解能は例えば０．２３メートル（ｍ）程度である。このため、２台の先行車両が併走しているとき、ＦＭＣＷ方式では車両が１台なのか２台なのかを識別することが困難である場合がある。このような場合、角度分解能が極めて高い到来方向推定アルゴリズムを実行すれば、２台の先行車両の方位を分離して検出することが可能である。
ＤＢＦ処理部５３５は、アンテナ素子１１1、１１2、・・・、１１Mにおける信号の位相差を利用して、入力される各アンテナに対応した時間軸でフーリエ変換された複素データを、アンテナ素子の配列方向にフーリエ変換する。そして、ＤＢＦ処理部５３５は、角度分解能に対応した角度チャネル毎のスペクトルの強度を示す空間複素数データを算出し、ビート周波数毎に方位検出部５３６に出力する。
方位検出部５３６は、先行車両の方位を推定するために設けられている。方位検出部５３６は、算出されたビート周波数毎の空間複素数データの値の大きさのうち、一番大きな値を取る角度θを対象物が存在する方位として物標引継ぎ処理部５３７に出力する。
なお、到来波の到来方向を示す角度θを推定する方法は、この例に限定されない。前述した種々の到来方向推定アルゴリズムを用いて行うことができる。
物標引継ぎ処理部５３７は、今回算出した対象物の距離、相対速度、方位の値と、メモリ５３１から読み出した１サイクル前に算出された対象物の距離、相対速度、方位の値とのそれぞれの差分の絶対値を算出する。そして、差分の絶対値が、それぞれの値毎に決められた値よりも小さいとき、物標引継ぎ処理部５３７は、１サイクル前に検知した物標と今回検知した物標とを同じものと判定する。その場合、物標引継ぎ処理部５３７は、メモリ５３１から読み出したその物標の引継ぎ処理回数を１つだけ増やす。
物標引継ぎ処理部５３７は、差分の絶対値が決められた値よりも大きな場合には、新しい対象物を検知したと判断する。物標引継ぎ処理部５３７は、今回の対象物の距離、相対速度、方位およびその対象物の物標引継ぎ処理回数をメモリ５３１に保存する。
信号処理回路５６０で、受信した反射波を基にして生成された信号であるビート信号を周波数解析して得られるスペクトラムを用い、対象物との距離、相対速度を検出することができる。
相関行列生成部５３８は、メモリ５３１に格納されたチャンネルＣｈ1〜ＣｈMごとのビート信号（図３３の下図）を用いて自己相関行列を求める。数４の自己相関行列において、各行列の成分は、ビート信号の実部および虚部によって表現される値である。相関行列生成部５３８は、さらに自己相関行列Ｒｘｘの各固有値を求め、得られた固有値の情報を到来波推定ユニットＡＵへ入力する。
受信強度算出部５３２は、複数の対象物に対応する信号強度のピークが複数検出された場合、上りの部分および下りの部分のピーク値ごとに、周波数が小さいものから順番に番号をつけて、物標出力処理部５３９へ出力する。ここで、上りおよび下りの部分において、同じ番号のピークは、同じ対象物に対応しており、それぞれの識別番号を対象物の番号とする。なお、煩雑化を回避するため、図３２では、受信強度算出部５３２から物標出力処理部５３９への引出線の記載は省略している。
物標出力処理部５３９は、対象物が前方構造物である場合に、その対象物の識別番号を物標として出力する。物標出力処理部５３９は、複数の対象物の判定結果を受け取り、そのどちらもが前方構造物である場合、自車両の車線上にある対象物の識別番号を物標が存在する物体位置情報として出力する。また、物標出力処理部５３９は、複数の対象物の判定結果を受け取り、そのどちらもが前方構造物である場合であって、２つ以上の対象物が自車両の車線上にある場合、メモリ５３１から読み出した物標引継ぎ処理回数が多い対象物の識別番号を物標が存在する物体位置情報として出力する。
再び図３１を参照し、車載レーダシステム５１０が図３１に示す構成例に組み込まれた場合の例を説明する。画像処理回路７２０は、映像から物体の情報を取得し、その物体の情報から物標位置情報を検出する。画像処理回路７２０は、例えば、取得した映像内のオブジェクトの奥行き値を検出して物体の距離情報を推定したり、映像の特徴量から物体の大きさの情報などを検出したりすることにより、予め設定された物体の位置情報を検出するように構成されている。
選択回路５９６は、信号処理回路５６０および画像処理回路７２０から受け取った位置情報を選択的に走行支援電子制御装置５２０に与える。選択回路５９６は、例えば、信号処理回路５６０の物体位置情報に含まれている、自車両から検出した物体までの距離である第１距離と、画像処理回路７２０の物体位置情報に含まれている、自車両から検出した物体までの距離である第２距離とを比較してどちらが自車両に対して近距離であるかを判定する。例えば、判定された結果に基づいて、自車両に近いほうの物体位置情報を選択回路５９６が選択して走行支援電子制御装置５２０に出力し得る。なお、判定の結果、第１距離および第２距離が同じ値であった場合には、選択回路５９６は、そのいずれか一方または両方を走行支援電子制御装置５２０に出力し得る。
なお、物標出力処理部５３９（図３２）は、受信強度算出部５３２から物標候補がないという情報が入力された場合には、物標なしとしてゼロを物体位置情報として出力する。そして、選択回路５９６は、物標出力処理部５３９からの物体位置情報に基づいて予め設定された閾値と比較することで信号処理回路５６０あるいは画像処理回路７２０の物体位置情報を使用するか選択している。
物体検知装置５７０によって先行物体の位置情報を受け取った走行支援電子制御装置５２０は、予め設定された条件により、物体位置情報の距離や大きさ、自車両の速度、降雨、降雪、晴天などの路面状態などの条件と併せて、自車両を運転しているドライバに対して操作が安全あるいは容易となるような制御を行う。例えば、走行支援電子制御装置５２０は、物体位置情報に物体が検出されていない場合、予め設定されている速度までスピードを上げるようにアクセル制御回路５２６に制御信号を送り、アクセル制御回路５２６を制御してアクセルペダルを踏み込むことと同等の動作を行う。
走行支援電子制御装置５２０は、物体位置情報に物体が検出されている場合において、自車両から所定の距離であることが分かれば、ブレーキバイワイヤなどの構成により、ブレーキ制御回路５２４を介してブレーキの制御を行う。すなわち、速度を落とし、車間距離を一定に保つように操作する。走行支援電子制御装置５２０は、物体位置情報を受けて、警告制御回路５２２に制御信号を送り、車内スピーカを介して先行物体が近づいていることをドライバに知らせるように音声またはランプの点灯を制御する。走行支援電子制御装置５２０は、先行車両の配置を含む物体位置情報を受け取り、予め設定された走行速度の範囲であれば、先行物体との衝突回避支援を行うために自動的にステアリングを左右どちらかに操作し易くするか、あるいは、強制的に車輪の方向を変更するようにステアリング側の油圧を制御することができる。
物体検知装置５７０では、選択回路５９６が前回検出サイクルにおいて一定時間連続して検出していた物体位置情報のデータで、今回検出サイクルで検出できなかったデータに対して、カメラで検出したカメラ映像からの先行物体を示す物体位置情報が紐付けされれば、トラッキングを継続させる判断を行い、信号処理回路５６０からの物体位置情報を優先的に出力するようにしても構わない。
信号処理回路５６０および画像処理回路７２０の出力を選択回路５９６に選択するための具体的構成の例および動作の例は、米国特許第８４４６３１２号明細書、米国特許第８７３００９６号明細書、および米国特許第８７３００９９号明細書に開示されている。この公報の内容の全体をここに援用する。
［第１の変形例］
上記の応用例の車載用レーダシステムにおいて、周波数変調連続波ＦＭＣＷの１回の周波数変調の（掃引）条件、つまり変調に要する時間幅（掃引時間）は、例えば１ミリ秒である。しかし、掃引時間を１００マイクロ秒程度に短くすることもできる。
ただし、そのような高速の掃引条件を実現するためには、送信波の放射に関連する構成要素のみならず、当該掃引条件下での受信に関連する構成要素をも高速に動作させる必要が生じる。例えば、当該掃引条件下で高速に動作するＡ／Ｄコンバータ５８７（図３２）を設ける必要がある。Ａ／Ｄコンバータ５８７のサンプリング周波数は、例えば１０ＭＨｚである。サンプリング周波数は１０ＭＨｚよりも早くてもよい。
本変形例においては、ドップラーシフトに基づく周波数成分を利用することなく、物標との相対速度を算出する。本変形例では、掃引時間Ｔｍ＝１００マイクロ秒であり、非常に短い。検出可能なビート信号の最低周波数は１／Ｔｍであるので、この場合は１０ｋＨｚとなる。これは、およそ２０ｍ／秒の相対速度を持つ物標からの反射波のドップラーシフトに相当する。即ち、ドップラーシフトに頼る限り、これ以下の相対速度を検出することはできない。よって、ドップラーシフトに基づく計算方法とは異なる計算方法を採用することが好適である。
本変形例では、一例として、送信波の周波数が増加するアップビート区間で得られた、送信波と受信波との差の信号（アップビート信号）を利用する処理を説明する。ＦＭＣＷの１回の掃引時間は１００マイクロ秒で、波形は、アップビート（上り）部分のみからなる鋸歯形状である。即ち、本変形例において、三角波／ＣＷ波生成回路５８１が生成する信号波は鋸歯形状を有する。また、周波数の掃引幅は５００ＭＨｚである。ドップラーシフトに伴うピークは利用しないので、アップビート信号とダウンビート信号を生成して双方のピークを利用する処理は行わず、何れか一方の信号のみで処理を行う。ここではアップビート信号を利用する場合について説明するが、ダウンビート信号を用いる場合も同様の処理を行うことができる。
Ａ／Ｄコンバータ５８７（図３２）は、１０ＭＨｚのサンプリング周波数で各アップビート信号をサンプリングして、数百個のデジタルデータ（以下「サンプリングデータ」と呼ぶ。）を出力する。サンプリングデータは、例えば、受信波が得られる時刻以後で、かつ、送信波の送信が終了した時刻までのアップビート信号に基づいて生成される。なお、一定数のサンプリングデータが得られた時点で処理を終了してもよい。
本変形例では、連続して１２８回アップビート信号の送受信を行い、各々について数百個のサンプリングデータを得る。このアップビート信号の数は１２８個に限られない。２５６個であってもよいし、あるいは８個であってもよい。目的に応じて様々の個数を選択することができる。
得られたサンプリングデータは、メモリ５３１に格納される。受信強度算出部５３２はサンプリングデータに２次元の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を実行する。具体的には、まず、１回の掃引で得られたサンプリングデータ毎に、１回目のＦＦＴ処理（周波数解析処理）を実行してパワースペクトルを生成する。次に、速度検出部５３４は、処理結果を、全ての掃引結果に渡って集めて２回目のＦＦＴ処理を実行する。
同一物標からの反射波により各掃引期間で検出される、パワースペクトルのピーク成分の周波数はいずれも同じである。一方、物標が異なるとピーク成分の周波数は異なる。１回目のＦＦＴ処理によれば、異なる距離に位置する複数の物標を分離することができる。
物標に対する相対速度がゼロでない場合は、アップビート信号の位相は、掃引毎に少しずつ変化する。つまり、２回目のＦＦＴ処理によれば、上述した位相の変化に応じた周波数成分のデータを要素として有するパワースペクトルが、１回目のＦＦＴ処理の結果毎に求められることになる。
受信強度算出部５３２は、２回目に得られたパワースペクトルのピーク値を抽出して速度検出部５３４に送る。
速度検出部５３４は、位相の変化から相対速度を求める。例えば、連続して得られたアップビート信号の位相が、位相θ［ＲＸｄ］ずつ変化していたとする。送信波の平均波長をλとすると、１回のアップビート信号が得られるごとに距離がλ／（４π／θ）だけ変化したことを意味する。この変化は、アップビート信号の送信間隔Ｔｍ（＝１００マイクロ秒）で生じた。よって、｛λ／（４π／θ）｝／Ｔｍ により、相対速度が得られる。
以上の処理によれば、物標との距離に加えて、物標との相対速度を求めることができる。
［第２の変形例］
レーダシステム５１０は、１つまたは複数の周波数の連続波ＣＷを用いて、物標を検知することができる。この方法は、車両がトンネル内にある場合の様に、周囲の静止物から多数の反射波がレーダシステム５１０に入射する環境において、特に有用である。
レーダシステム５１０は、独立した５チャンネルの受信素子を含む受信用のアンテナアレイを備えている。このようなレーダシステムでは、入射する反射波の到来方位の推定は、同時に入射する反射波が４つ以下の状態でしか行うことができない。ＦＭＣＷ方式のレーダでは、特定の距離からの反射波のみを選択することで、同時に到来方位の推定を行う反射波の数を減らすことができる。しかし、トンネル内など、周囲に多数の静止物が存在する環境では、電波を反射する物体が連続的に存在しているのに等しい状況にあるため、距離に基づいて反射波を絞り込んでも、反射波の数が４つ以下にならない状況が生じ得る。しかし、それら周囲の静止物は、自車両に対する相対速度が全て同一で、しかも前方を走行する他車両よりも相対速度が大きいため、ドップラーシフトの大きさに基づいて、静止物と他車両とを区別し得る。
そこで、レーダシステム５１０は、複数の周波数の連続波ＣＷを放射し、受信信号において静止物に相当するドップラーシフトのピークを無視し、それよりもシフト量が小さなドップラーシフトのピークを用いて距離を検知する処理を行う。ＦＭＣＷ方式とは異なり、ＣＷ方式では、ドップラーシフトのみに起因して、送信波と受信波との間に周波数差が生じる。つまり、ビート信号に現れるピークの周波数はドップラーシフトのみに依存する。
なお、本変形例の説明でも、ＣＷ方式で利用される連続波を「連続波ＣＷ」と記述する。上述のとおり、連続波ＣＷの周波数は一定であり、変調されていない。
レーダシステム５１０が周波数ｆｐの連続波ＣＷを放射し、物標で反射した周波数ｆｑの反射波を検出したとする。送信周波数ｆｐと受信周波数ｆｑとの差はドップラー周波数と呼ばれ、近似的にｆｐ−ｆｑ＝２・Ｖｒ・ｆｐ／ｃ と表される。ここでＶｒはレーダシステムと物標との相対速度、ｃは光速である。送信周波数ｆｐ、ドップラー周波数（ｆｐ−ｆｑ）、および光速ｃは既知である。よって、この式から相対速度Ｖｒ＝（ｆｐ−ｆｑ）・ｃ／２ｆｐを求めることができる。物標までの距離は、後述するように位相情報を利用して算出する。
連続波ＣＷを用いて、物標までの距離を検出ためには２周波ＣＷ方式を採用する。２周波ＣＷ方式では、少しだけ離れた２つの周波数の連続波ＣＷが、それぞれ一定期間ずつ放射され、各々の反射波が取得される。例えば７６ＧＨｚ帯の周波数を用いる場合には、２つの周波数の差は数百キロヘルツである。なお、後述する様に、２つの周波数の差は、使用するレーダが物標を検知できる限界の距離を考慮して定められることがより好ましい。
レーダシステム５１０が周波数ｆｐ１およびｆｐ２（ｆｐ１＜ｆｐ２）の連続波ＣＷを順次放射し、２種類の連続波ＣＷが１つの物標で反射されることにより、周波数ｆｑ１およびｆｑ２の反射波がレーダシステム５１０に受信されたとする。
周波数ｆｐ１の連続波ＣＷとその反射波（周波数ｆｑ１）とによって、第１のドップラー周波数が得られる。また、周波数ｆｐ２の連続波ＣＷとその反射波（周波数ｆｑ２）とによって、第２のドップラー周波数が得られる。２つのドップラー周波数は実質的に同じ値である。しかしながら、周波数ｆｐ１およびｆｐ２の相違に起因して、受信波の複素信号における位相が異なる。この位相情報を用いることにより、物標までの距離を算出できる。
具体的には、レーダシステム５１０は、距離ＲをＲ＝ｃ・Δφ／４π（ｆｐ２−ｆｐ１）として求めることができる。ここで、Δφは２つのビート信号の位相差を表す。２つのビート信号とは、周波数ｆｐ１の連続波ＣＷとその反射波（周波数ｆｑ１）との差分として得られるビート信号１、および、周波数ｆｐ２の連続波ＣＷとその反射波（周波数ｆｑ２）との差分として得られるビート信号２である。ビート信号１の周波数ｆｂ１およびビート信号２の周波数ｆｂ２の特定方法は、上述した単周波数の連続波ＣＷにおけるビート信号の例と同じである。
なお、２周波ＣＷ方式での相対速度Ｖｒは、以下のとおり求められる。
Ｖｒ＝ｆｂ１・ｃ／２・ｆｐ１ または Ｖｒ＝ｆｂ２・ｃ／２・ｆｐ２
また、物標までの距離を一意に特定できる範囲は、Ｒｍａｘ＜ｃ／２（ｆｐ２−ｆｐ１）の範囲に限られる。これよりも遠い物標からの反射波より得られるビート信号は、Δφが２πを超え、より近い位置の物標に起因するビート信号と区別がつかなくなるためである。そこで、２つの連続波ＣＷの周波数の差を調節して、Ｒｍａｘをレーダの検出限界距離よりも大きくすることがより好ましい。検出限界距離が１００ｍであるレーダでは、ｆｐ２−ｆｐ１を例えば１．０ＭＨｚとする。この場合、Ｒｍａｘ＝１５０ｍとなるため、Ｒｍａｘを超える位置にある物標からの信号は検出されない。また、２５０ｍまで検出できるレーダを搭載する場合は、ｆｐ２−ｆｐ１を例えば５００ｋＨｚとする。この場合は、Ｒｍａｘ＝３００ｍとなるため、やはりＲｍａｘを超える位置にある物標からの信号は検出されない。また、レーダが、検出限界距離が１００ｍで水平方向の視野角が１２０度の動作モードと、検出限界距離が２５０ｍで水平方向の視野角が５度の動作モードとの、両方を備えている場合は、各々の動作モードにおいて、ｆｐ２−ｆｐ１の値を、１．０ＭＨｚと５００ｋＨｚとにそれぞれ切り替えて動作させることがより好ましい。
Ｎ個（Ｎ：３以上の整数）の異なる周波数で連続波ＣＷを送信し、各々の反射波の位相情報を利用することにより、各物標までの距離をそれぞれ検出することが可能な検出方式が知られている。当該検出方式によれば、Ｎ−１個までの物標については距離を正しく認識できる。そのための処理として、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を利用する。いま、Ｎ＝６４、あるいは１２８として、各周波数の送信信号と受信信号との差であるビート信号のサンプリングデータについてＦＦＴを行って周波数スペクトル（相対速度）を得る。その後、同一の周波数のピークに関してＣＷ波の周波数でさらにＦＦＴを行って距離情報を求めることができる。
以下、より具体的に説明する。
説明の簡単化のため、まず、３つの周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３の信号を時間的に切り換えて送信する例を説明する。ここでは、ｆ１＞ｆ２＞ｆ３であり、かつ、ｆ１−ｆ２＝ｆ２−ｆ３＝Δｆであるとする。また、各周波数の信号波の送信時間をΔｔとする。図３６は、３つの周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の関係を示す。
三角波／ＣＷ波生成回路５８１（図３２）は、それぞれが時間Δｔだけ持続する周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の連続波ＣＷを、送信アンテナＴｘを介して送信する。受信アンテナＲｘは、各連続波ＣＷが１または複数の物標で反射された反射波を受信する。
ミキサ５８４は、送信波と受信波とを混合してビート信号を生成する。Ａ／Ｄコンバータ５８７はアナログ信号としてのビート信号を、例えば数百個のデジタルデータ（サンプリングデータ）に変換する。
受信強度算出部５３２は、サンプリングデータを用いてＦＦＴ演算を行う。ＦＦＴ演算の結果、送信周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３の各々について、受信信号の周波数スペクトルの情報が得られる。
その後受信強度算出部５３２は、受信信号の周波数スペクトルの情報から、ピーク値を分離する。所定以上の大きさを有するピーク値の周波数は、物標との相対速度に比例する。受信信号の周波数スペクトルの情報から、ピーク値を分離することは、相対速度の異なる１または複数の物標を分離することを意味する。
次に、受信強度算出部５３２は、送信周波数ｆ１〜ｆ３の各々について、相対速度が同一または予め定められた範囲内のピーク値のスペクトル情報を計測する。
いま、２つの物標ＡおよびＢが、同程度の相対速度で、かつ、それぞれが異なる距離に存在する場合を考える。周波数ｆ１の送信信号は物標ＡおよびＢの両方で反射され、受信信号として得られる。物標ＡおよびＢからの各反射波のビート信号の周波数は、概ね同一になる。そのため、受信信号の、相対速度に相当するドップラー周波数でのパワースペクトルは、２つの物標ＡおよびＢの各パワースペクトルを合成した合成スペクトルＦ１として得られる。
同様に、周波数ｆ２およびｆ３の各々についても、受信信号の、相対速度に相当するドップラー周波数でのパワースペクトルは、２つの物標ＡおよびＢの各パワースペクトルを合成した合成スペクトルＦ２およびＦ３として得られる。
図３７は、複素平面上の合成スペクトルＦ１〜Ｆ３の関係を示す。合成スペクトルＦ１〜Ｆ３の各々を張る２つのベクトルの方向に向かって、右側のベクトルが物標Ａからの反射波のパワースペクトルに対応する。図３７ではベクトルｆ１Ａ〜ｆ３Ａに対応する。一方、合成スペクトルＦ１〜Ｆ３の各々を張る２つのベクトルの方向に向かって、左側のベクトルが物標Ｂからの反射波のパワースペクトルに対応する。図３７ではベクトルｆ１Ｂ〜ｆ３Ｂに対応する。
送信周波数の差分Δｆが一定のとき、周波数ｆ１およびｆ２の各送信信号に対応する各受信信号の位相差と、物標までの距離は比例する関係にある。よって、ベクトルｆ１Ａとｆ２Ａの位相差と、ベクトルｆ２Ａとｆ３Ａの位相差とは同じ値θＡになり、位相差θＡが物標Ａまでの距離に比例する。同様に、ベクトルｆ１Ｂとｆ２Ｂの位相差と、ベクトルｆ２Ｂとｆ３Ｂの位相差とは同じ値θＢになり、位相差θＢが物標Ｂまでの距離に比例する。
周知の方法を用いて、合成スペクトルＦ１〜Ｆ３、および、送信周波数の差分Δｆから物標ＡおよびＢの各々までの距離を求めることができる。この技術は、例えば米国特許６７０３９６７号に開示されている。この公報の内容の全体をここに援用する。
送信する信号の周波数が４以上になった場合も同様の処理を適用することができる。
なお、Ｎ個の異なる周波数で連続波ＣＷを送信する前に、２周波ＣＷ方式で各物標までの距離および相対速度を求める処理を行ってもよい。そして、所定の条件下で、Ｎ個の異なる周波数で連続波ＣＷを送信する処理に切り換えてもよい。例えば、２つの周波数の各々のビート信号を用いてＦＦＴ演算を行い、各送信周波数のパワースペクトルの時間変化が３０％以上である場合には、処理の切り換えを行ってもよい。各物標からの反射波の振幅はマルチパスの影響等で時間的に大きく変化する。所定の以上の変化が存在する場合には、複数の物標が存在する可能性があると考えられる。
また、ＣＷ方式では、レーダシステムと物標との相対速度がゼロである場合、すなわちドップラー周波数がゼロの場合には物標を検知できないことが知られている。しかしながら、例えば以下の方法によって擬似的にドップラー信号を求めると、その周波数を用いて物標を検知することは可能である。
（方法１）受信用アンテナの出力を一定周波数シフトさせるミキサを追加する。送信信号と、周波数がシフトされた受信信号とを用いることにより、擬似ドップラー信号を得ることができる。
（方法２）受信用アンテナの出力とミキサとの間に、時間的に連続して位相を変化させる可変位相器を挿入し、受信信号に擬似的に位相差を付加する。送信信号と、位相差が付加された受信信号とを用いることにより、擬似ドップラー信号を得ることができる。
方法２による、可変位相器を挿入して擬似ドップラー信号を発生させる具体的構成の例および動作の例は、特開２００４−２５７８４８号公報に開示されている。この公報の内容の全体をここに援用する。
相対速度がゼロの物標、または、非常に小さな物標を検知する必要がある場合は、上述の擬似ドップラー信号を発生させる処理を使用してもよいし、または、ＦＭＣＷ方式による物標検出処理への切り換えを行ってもよい。
次に、図３８を参照しながら、車載レーダシステム５１０の物体検知装置５７０によって行われる処理の手順を説明する。
以下では、２個の異なる周波数ｆｐ１およびｆｐ２（ｆｐ１＜ｆｐ２）で連続波ＣＷを送信し、各々の反射波の位相情報を利用することにより、物標との距離をそれぞれ検出する例を説明する。
図３８は、本変形例による相対速度および距離を求める処理の手順を示すフローチャートである。
ステップＳ４１において、三角波／ＣＷ波生成回路５８１は、少しだけ周波数が離れている、２種類の異なる連続波ＣＷを生成する。周波数はｆｐ１およびｆｐ２とする。
ステップＳ４２において、送信アンテナＴｘおよび受信アンテナＲｘは、生成された一連の連続波ＣＷの送受信を行う。なお、ステップＳ４１の処理およびステップＳ４２の処理はそれぞれ、三角波／ＣＷ波生成回路５８１および送信アンテナＴｘ／受信アンテナＲｘにおいて並列的に行われる。ステップＳ４１の完了後にステップＳ４２が行われるのではないことに留意されたい。
ステップＳ４３において、ミキサ５８４は、各送信波と各受信波とを利用して２つの差分信号を生成する。各受信波は、静止物由来の受信波と、物標由来の受信波とを含む。そのため、次に、ビート信号として利用する周波数を特定する処理を行う。なお、ステップＳ４１の処理、ステップＳ４２の処理およびステップＳ４３の処理はそれぞれ、三角波／ＣＷ波生成回路５８１、送信アンテナＴｘ／受信アンテナＲｘおよびミキサ５８４において並列的に行われる。ステップＳ４１の完了後にステップＳ４２が行われるのではなく、また、ステップＳ４２の完了後にステップＳ４３が行われるのでもないことに留意されたい。
ステップＳ４４において、物体検知装置５７０は、２つの差分信号の各々について、閾値として予め定められた周波数以下で、かつ予め定められた振幅値以上の振幅値を有し、なおかつ互いの周波数の差が所定の値以下であるピークの周波数を、ビート信号の周波数ｆｂ１およびｆｂ２として特定する。
ステップＳ４５において、受信強度算出部５３２は、特定した２つのビート信号の周波数のうちの一方に基づいて相対速度を検出する。受信強度算出部５３２は、例えばＶｒ＝ｆｂ１・ｃ／２・ｆｐ１ により、相対速度を算出する。なお、ビート信号の各周波数を利用して相対速度を算出してもよい。これにより、受信強度算出部５３２は、両者が一致しているか否かの検証し、相対速度の算出精度を高めることができる。
ステップＳ４６において、受信強度算出部５３２は、２つのビート信号１および２の位相差Δφを求め、物標までの距離Ｒ＝ｃ・Δφ／４π（ｆｐ２−ｆｐ１）を求める。
以上の処理により、物標までの相対速度および距離を検出することができる。
なお、３以上のＮ個の異なる周波数で連続波ＣＷを送信し、各々の反射波の位相情報を利用して、相対速度が同一で、かつ異なる位置に存在する複数の物標までの距離を検出してもよい。
以上で説明した、車両５００は、レーダシステム５１０に加えて、さらに他のレーダシステムを有していてもよい。例えば車両５００は、車体の後方、または側方に検知範囲を持つレーダシステムをさらに備えていてもよい。車体の後方に検知範囲を持つレーダシステムを有する場合には、当該レーダシステムは後方を監視し、他車両によって追突される危険性があるときは、警報を出す等の応答をすることができる。車体の側方に検知範囲を持つレーダシステムを有する場合には、当該レーダシステムは、自車両が車線変更などを行う場合に、隣接車線を監視し、必要に応じて警報を出す等の応答をすることができる。
以上で説明したレーダシステム５１０の用途は、車載用途に限られない。種々の用途のセンサとして利用することができる。例えば、家屋その他の建築物の周囲を監視するためのレーダとして利用できる。あるいは、屋内において特定の場所における人物の有無、あるいはその人物の動きの有無等を、光学的画像に寄らずに監視するためのセンサとして利用することができる。
［処理の補足］
前記したアレーアンテナに関する２周波ＣＷまたはＦＭＣＷについて、他の実施形態を説明する。前述したとおり、図３２の例において、受信強度算出部５３２は、メモリ５３１に格納されたチャンネルＣｈ1〜ＣｈMごとのビート信号（図３３の下図）に対してフーリエ変換を行う。その際のビート信号は、複素信号である。その理由は、演算対象としている信号の位相を特定するためである。これにより、到来波方向を正確に特定できる。しかしこの場合、フーリエ変換のための演算負荷量が増大し、回路規模が大きくなる。
これを克服するために、ビート信号としてスカラ信号を生成し、それぞれ生成された複数のビート信号に対して、アンテナ配列に沿った空間軸方向および時間の経過に沿った時間軸方向についての２回の複素フーリエ変換を実行することにより、周波数分析結果を得てもよい。これにより、最終的には、少ない演算量で、反射波の到来方向を特定可能なビーム形成を行うことができ、ビーム毎の周波数分析結果を得ることができる。本件に関連する特許公報として、米国特許第６３３９３９５号明細書の開示内容全体を本明細書に援用する。
［カメラ等の光学センサとミリ波レーダ］
次に、上述したアレーアンテナと従来のアンテナとの比較、および、本アレーアンテナと光学センサ、例えばカメラ、との双方を利用した応用例について説明する。なお、光学センサとして、ライダー（ＬＩＤＡＲ）等を用いてもよい。
ミリ波レーダは、物標までの距離とその相対速度を直接検出することが可能である。また、薄暮を含む夜間、または降雨、霧、降雪等の悪天候時にも、検出性能が大きく低下しないという特徴がある。一方、ミリ波レーダは、カメラに比較して、物標を２次元的にとらえることが容易ではない、とされている。他方、カメラは、物標を２次元的にとらえ、その形状を認識することが比較的容易である。しかし、カメラは、夜間または悪天候時には、物標を撮像できないことがあり、この点が大きな課題となっている。特に採光部分に水滴が付着した場合、または霧で視界が狭くなった場合には、この課題が顕著である。同じ光学系センサであるＬＩＤＡＲ等でも、この課題は同様に存在する。
近年、車両の安全運行要求が高まる中、衝突等を未然に回避する運転者補助システム（Ｄｒｉｖｅｒ Ａｓｓｉｓｔ Ｓｙｓｔｅｍ）が開発されている。運転者補助システムは、車両進行方向の画像をカメラまたはミリ波レーダ等のセンサで取得し、車両運行上障害になると予想される障害物を認識した場合に、自動的にブレーキ等を操作することで、衝突等を未然に回避する。このような衝突防止機能は、夜間または悪天候時といえども、正常に機能することが求められる。
そこで、センサとして、従来のカメラ等の光学センサに加えて、ミリ波レーダを搭載し、双方の利点を生かした認識処理を行う、いわゆるフュージョン構成の運転者補助システムが普及しつつある。そのような運転者補助システムについては、後述する。
一方、ミリ波レーダそのものに求められる要求機能は、一層高まっている。車載用途のミリ波レーダでは、７６ＧＨｚ帯の電磁波が主に使用されている。そのアンテナの空中線電力（ａｎｔｅｎｎａ ｐｏｗｅｒ）は、各国の法律等により、一定以下に制限されている。例えば日本国では０．０１Ｗ以下に制限されている。このような制限の中で、車載用途のミリ波レーダには、例えばその検出距離は２００ｍ以上、アンテナのサイズは６０ｍｍ×６０ｍｍ以下、水平方向の検知角度は９０度以上、距離分解能は２０ｃｍ以下、１０ｍ以内の近距離での検出も可能であること等、の要求性能を満たすことが求められている。従来のミリ波レーダは、導波路としてマイクロストリップラインを用い、アンテナとしてパッチアンテナを用いていた（以下、これらを合わせて「パッチアンテナ」という）。しかしパッチアンテナでは、上記の性能を実現することは困難であった。
発明者は、本開示の技術を応用したスロットアレーアンテナを用いることで、上記性能を実現することに成功した。これにより、従来のパッチアンテナ等に比較して、小型、高効率、高性能なミリ波レーダを実現した。加えて、このミリ波レーダと、カメラ等の光学センサとを組み合わせることで、従来存在しなかった小型、高効率、高性能のフュージョン装置を実現した。以下、これについて詳述する。
図３９は、車両５００における、本開示の技術を応用したスロットアレーアンテナを有するレーダシステム５１０（以下、ミリ波レーダ５１０とも称する。）、および車載カメラシステム７００を備えるフュージョン装置に関する図である。この図を参照しながら、以下に、種々の実施形態について説明する。
［ミリ波レーダの車室内設置］
従来のパッチアンテナによるミリ波レーダ５１０’は、車両のフロントノーズにあるグリル５１２の後方内側に配置される。アンテナから放射される電磁波は、グリル５１２の隙間を抜け、車両５００の前方に放射される。この場合、電磁波通過領域には、ガラス等の電磁波エネルギーを減衰させ、または反射する誘電層は存在しない。これにより、パッチアンテナによるミリ波レーダ５１０’から放射された電磁波は、遠距離、例えば１５０ｍ以上、の物標にも届く。そしてこれに反射した電磁波をアンテナで受信することで、ミリ波レーダ５１０’は、物標を検出できる。しかしこの場合、アンテナが車両のグリル５１２の後方内側に配置されることで、車両が障害物に衝突した場合に、レーダが破損することがある。また雨天等の際に泥等がかぶることで、アンテナに汚れが付着し、電磁波の放射や受信を阻害することがある。
本開示の実施形態におけるスロットアレーアンテナを用いたミリ波レーダ５１０では、従来と同様に、車両のフロントノーズにあるグリル５１２の後方に配置することができる（図示せず）。これにより、アンテナから放射される電磁波のエネルギーを１００％活用することができ、従来を超える遠距離、例えば２５０ｍ以上の距離にある物標の検出が可能となる。
さらに、本開示の実施形態によるミリ波レーダ５１０は、車両の車室内に配置することもできる。その場合、ミリ波レーダ５１０は、車両のフロントガラス５１１の内側で、且つリアビューミラー（図示せず）の鏡面とは反対側の面との間のスペースに配置される。一方、従来のパッチアンテナによるミリ波レーダ５１０’は、車室内に置くことはできなかった。その理由は、主に次の２つである。第１の理由は、サイズが大きいため、フロントガラス５１１とリアビューミラーとの間のスペースに収まらないことである。第２の理由は、前方に放射された電磁波が、フロントガラス５１１により反射され、誘電損により減衰する為、求められる距離まで到達できないことである。その結果、従来のパッチアンテナによるミリ波レーダを車室内に置いた場合、例えば前方１００ｍに存在する物標までしか検出できなかった。他方、本開示の実施形態によるミリ波レーダは、フロントガラス５１１での反射または減衰があっても、２００ｍ以上の距離にある物標を検出できる。これは従来のパッチアンテナによるミリ波レーダを車室外に置いた場合と同等、あるいはそれ以上の性能である。
［ミリ波レーダとカメラ等の車室内配置によるフュージョン構成］
現在、多くの運転者補助システム（Ｄｒｉｖｅｒ Ａｓｓｉｓｔ Ｓｙｓｔｅｍ）で用いられている主たるセンサには、ＣＣＤカメラ等の光学的撮像装置が用いられている。そして通常、カメラ等は、外的環境等の悪影響を考慮して、フロントガラス５１１の内側の車室内に配置されている。その際、雨滴等の光学的な影響を最小にするために、カメラ等は、フロントガラス５１１の内側で且つワイパー（図示せず）が作動する領域に配置される。
近年、車両の自動ブレーキ等の性能向上要請から、どんな外的環境でも確実に作動する自動ブレーキ等が求められている。この場合、運転者補助システムのセンサをカメラ等の光学機器のみで構成した場合、夜間や悪天候時においては確実な作動が保証できないという課題があった。そこで、カメラ等の光学センサに加えて、ミリ波レーダも併用し、連携処理することで、夜間や悪天候時でも確実に動作する運転者補助システムが求められている。
前述したとおり、本スロットアレーアンテナを用いたミリ波レーダは、小型化できたこと、および放射される電磁波の効率が従来のパッチアンテナに比較して著しく高まったことで、車室内に配置することが可能になった。この特性を活用し、図３９に示す通り、カメラ等の光学センサ（車載カメラシステム）７００のみならず、本スロットアレーアンテナを用いたミリ波レーダ５１０も、共に車両５００のフロントガラス５１１の内側に配置することが可能になった。これにより以下の新たな効果が生じた。
（１）運転者補助システム（Ｄｒｉｖｅｒ Ａｓｓｉｓｔ Ｓｙｓｔｅｍ）の車両５００への取付けが容易になった。従来のパッチアンテナによるミリ波レーダ５１０’では、フロントノーズにあるグリル５１２の後方に、レーダを配置するスペースを確保する必要があった。このスペースは車両の構造設計に影響する部位を含むことから、レーダ装置のサイズが変化した場合、新たに構造設計をやり直す必要が生じる場合があった。しかしミリ波レーダを車室内に配置することで、そのような不都合は解消された。
（２）車両の外的環境である雨天や夜間等に影響されず、より信頼性の高い動作が確保できるようになった。特に図４０に示す通り、ミリ波レーダ（車載レーダシステム）５１０と車載カメラシステム７００を車室内のほぼ同じ位置に置くことで、それぞれの視野・視線が一致し、後述する「照合処理」、即ちそれぞれが捉えた物標情報が同一物であることを認識する処理、が容易になる。他方、ミリ波レーダ５１０’を車室外のフロントノーズにあるグリル５１２の後方に置いた場合、そのレーダ視線Ｌは、車室内に置いた場合のレーダ視線Ｍと異なることから、車載カメラシステム７００で取得された画像とのずれが大きくなる。
（３）ミリ波レーダ装置の信頼性が向上した。前述の通り、従来のパッチアンテナによるミリ波レーダ５１０’は、フロントノーズにあるグリル５１２の後方に配置されていることから、汚れが付着しやすく、また小さな接触事故等でも破損する場合があった。これらの理由により、清掃および機能確認が常時必要であった。また、後述する通り、事故等の影響でミリ波レーダの取付け位置または方向がずれた場合、カメラとの位置合わせを再度行う必要が生じていた。しかし、ミリ波レーダを車室内に配置することで、これらの確率は小さくなり、そのような不都合は解消された。
このようなフュージョン構成の運転者補助システムでは、カメラ等の光学センサと、本スロットアレーアンテナを用いたミリ波レーダ５１０とは、相互に固定された一体の構成を有してもよい。その場合、カメラ等の光学センサの光軸と、ミリ波レーダのアンテナの方向とは、一定の位置関係を確保する必要がある。これについては後述する。またこの一体構成の運転者補助システムを、車両５００の車室内に固定する場合、カメラの光軸等が車両前方の所要の方向に向くように調整する必要がある。これについては、米国特許出願公開第２０１５／０２６４２３０号明細書、米国特許出願公開第２０１６／０２６４０６５号明細書、米国特許出願１５／２４８１４１、米国特許出願１５／２４８１４９、米国特許出願１５／２４８１５６が存在し、これらを援用する。また、これに関連するカメラを中心とした技術として、米国特許第７３５５５２４号明細書、および米国特許第７４２０１５９号明細書があり、これらの開示内容全体を本明細書に援用する。
また、カメラ等の光学センサとミリ波レーダとを車室内に配置することについては、米国特許第８６０４９６８号明細書、米国特許第８６１４６４０号明細書、および米国特許第７９７８１２２号明細書等が存在する。これらの開示内容全体を本明細書に援用する。しかし、これらの特許の出願時点では、ミリ波レーダとしてはパッチアンテナを含む従来のアンテナしか知られておらず、従って、十分な距離の観測ができない状態であった。例えば、従来のミリ波レーダで観測可能な距離はせいぜい１００ｍ〜１５０ｍと考えられる。また、ミリ波レーダをフロントガラスの内側に配置した場合、レーダのサイズが大きいため、運転者の視野を遮り、安全運転に支障をきたす等の不都合が生じていた。これに対し、本開示の実施形態にかかるスロットアレーアンテナを用いたミリ波レーダは、小型であること、および放射される電磁波の効率が従来のパッチアンテナに比較して著しく高まったことで、車室内に配置することが可能になった。これにより、２００ｍ以上の遠距離の観測が可能となるとともに、運転者の視野を遮ることもない。
［ミリ波レーダとカメラ等との取付け位置の調整］
フュージョン構成の処理（以下「フュージョン処理」ということがある）においては、カメラ等で得られた画像とミリ波レーダにて得られたレーダ情報とが、同じ座標系に対応付けられることが求められる。相互に位置および物標のサイズが異なった場合、双方の連携処理に支障をきたすからである。
これについては次の３つの観点で、調整する必要がある。
（１）カメラ等の光軸と、ミリ波レーダのアンテナの方向とが一定の固定関係にあること。
カメラ等の光軸とミリ波レーダのアンテナの方向とが相互に一致していることが求められる。あるいは、ミリ波レーダでは、２以上の送信アンテナと２以上の受信アンテナを持つ場合があり、それぞれのアンテナの方向が意図的に異なっている場合もある。従ってカメラ等の光軸と、これらのアンテナの向きとの間には、少なくとも一定の既知の関係があることを保証することが求められる。
前述の、カメラ等とミリ波レーダとが相互に固定された一体の構成を有する場合、カメラ等とミリ波レーダとの位置関係は固定されている。従ってこの一体構成の場合は、これらの要件は満たされている。他方、従来のパッチアンテナ等では、ミリ波レーダは、車両５００のグリル５１２の後方に配置される。この場合は、これらの位置関係は、通常次の（２）により調整される。
（２）カメラ等による取得画像とミリ波レーダのレーダ情報とが、車両に取り付けられた場合の初期状態（例えば出荷時）において、一定の固定関係にあること。
カメラ等の光学センサ、およびミリ波レーダ５１０または５１０’の、車両５００における取付け位置は、最終的に、以下の手段で決定される。即ち、車両５００の前方の所定位置８００に、基準となるチャート、またはレーダによって観測させる物標（以下、それぞれ「基準チャート」、「基準物標」といい、両者をまとめて「基準対象物」ということがある）を正確に配置する。これをカメラ等の光学センサ、あるいはミリ波レーダ５１０によって観測する。観測された基準対象物の観測情報と、予め記憶された基準対象物の形状情報等とを比較し、現状のずれ情報を定量的に把握する。このずれ情報に基づき、以下の少なくとも一方の手段で、カメラ等の光学センサ、およびミリ波レーダ５１０または５１０’の取付け位置を調整または補正する。なお、同様の結果をもたらす、これ以外の手段を用いてもよい。
（ｉ）基準対象物がカメラとミリ波レーダの中央に来るように、カメラとミリ波レーダの取付け位置を調整する。この調整には、別途設けられた治具等を使用してもよい。
（ｉｉ）基準対象物に対するカメラとミリ波レーダのずれ量を求め、カメラ画像の画像処理およびレーダ処理にて、それぞれの方位のずれ量を補正する。
注目すべき点は、カメラ等の光学センサと、本開示の実施形態にかかるスロットアレーアンテナを用いたミリ波レーダ５１０とが、相互に固定された一体の構成を有する場合は、カメラあるいはレーダの何れかについて、基準対象物とのずれを調整すれば、他方についてもずれ量が分かり、他方について再度基準対象物のずれを検査する必要がない点である。
即ち、車載カメラシステム７００について、基準チャートを所定位置７５０に置き、その撮像画像と、予め基準チャート画像がカメラの視野の何処に位置すべきかを示す情報と、を比較することで、ずれ量を検出する。これに基づき、上記（ｉ）、（ｉｉ）の少なくとも一方の手段により、カメラの調整を行う。次にカメラで求めたずれ量を、ミリ波レーダのずれ量に換算する。その後、レーダ情報について、上記（ｉ）、（ｉｉ）の少なくとも一方の手段により、ずれ量を調整する。
あるいは、これをミリ波レーダ５１０に基づいて行ってもよい。即ち、ミリ波レーダ５１０について、基準物標を所定位置８００に置き、そのレーダ情報と、予め基準物標がミリ波レーダ５１０の視野の何処に位置すべきかを示す情報とを比較することで、ずれ量を検出する。これに基づき、上記（ｉ）、（ｉｉ）の少なくとも一方の手段により、ミリ波レーダ５１０の調整を行う。次に、ミリ波レーダで求めたずれ量を、カメラのずれ量に換算する。その後、カメラで得られた画像情報について、上記（ｉ）、（ｉｉ）の少なくとも一方の手段により、ずれ量を調整する。
（３）カメラ等による取得画像とミリ波レーダのレーダ情報とが、車両における初期状態以降においても、一定の関係が維持されていること。
通常、カメラ等による取得画像とミリ波レーダのレーダ情報とは、初期状態において固定され、車両事故等がない限り、その後変化することは少ないとされる。しかし、仮にこれらにずれが生じた場合は、以下の手段で調整することが可能である。
カメラは、その視野内に、例えば自車両の特徴部分５１３、５１４（特徴点）が入る状態で取り付けられている。この特徴点のカメラによる現実の撮像位置と、カメラが本来正確に取付けられている場合のこの特徴点の位置情報と、を比較し、そのずれ量を検出する。この検出されたずれ量に基づき、それ以降に撮像された画像の位置を補正することで、カメラの物理的な取付け位置のずれを補正することができる。この補正により、車両に求められる性能が十分発揮できる場合は、前記（２）の調整は不要となる。またこの調整手段を、車両５００の起動時や稼働中でも定期的に行うことで、新たにカメラ等のずれが生じた場合でも、ずれ量の補正が可能であり、安全な運行を実現できる。
ただしこの手段は、前記（２）で述べた手段に比較して、一般に、調整精度が落ちると
考えられている。基準対象物をカメラで撮影して得られる画像に基づいて調整する場合、基準対象物の方位が高精度で特定できるため、高い調整制度を容易に達成できる。しかし本手段では、基準対象物に代えて車体の一部の画像を調整に利用するため、方位の特性精度を高めることがやや難しい。そのため、調整精度も落ちることになる。但し事故や車室内でのカメラ等に大きな外力が加わった場合等が原因で、カメラ等の取付け位置が大きく狂った場合の補正手段としては有効である。
［ミリ波レーダとカメラ等とが検出した物標の対応付け：照合処理］
フュージョン処理においては、１つの物標に対して、カメラ等で得られた画像とミリ波レーダにて得られたレーダ情報とが「同一物標である」と認識されている必要がある。例えば車両５００の前方に、２つの障害物（第１の障害物と第２の障害物）、例えば２台の自転車、が出現した場合を考える。この２つの障害物は、カメラの画像として撮像されると同時に、ミリ波レーダのレーダ情報としても検出される。その際、第１の障害物について、カメラ画像とレーダ情報とは、相互に同一の物標であることが対応づけられている必要がある。同様に、第２の障害物について、そのカメラ画像とそのレーダ情報とは、相互に同一の物標であることが対応づけられている必要がある。仮に誤って、第１の障害物であるカメラ画像と、第２の障害物であるミリ波レーダのレーダ情報とが、同一物標であると誤認された場合、大きな事故に繋がる可能性が生じる。以下、本明細書においては、このようなカメラ画像上の物標とレーダ画像上の物標とが同一物標であるか否かを判断する処理を、「照合処理」と称することがある。
この照合処理については、以下に述べる種々の検出装置（または方法）がある。以下これらについて、具体的に説明する。なお以下の検出装置は、車両に設置され、少なくとも、ミリ波レーダ検出部と、ミリ波レーダ検出部が検出する方向と重複する方向に向けて配置されたカメラ等の画像検出部と、照合部とを備える。ここで、ミリ波レーダ検出部は、本開示のいずれかの実施形態におけるスロットアレーアンテナを有し、少なくとも、その視野におけるレーダ情報を取得する。画像取得部は、少なくとも、その視野における画像情報を取得する。照合部は、ミリ波レーダ検出部による検出結果と画像検出部による検出結果とを照合し、これら２つの検出部で同一の物標を検出しているか否かを判断する処理回路を含む。ここで画像検出部は、光学カメラ、ＬＩＤＡＲ、赤外線レーダ、超音波レーダの何れか１つ、または２つ以上が選択されて構成され得る。以下の検出装置は、照合部における検出処理が異なっている。
第１の検出装置における照合部は、次の２つの照合を行う。第１の照合は、ミリ波レーダ検出部によって検出された注目する物標に対して、その距離情報および横位置情報を得るのと並行して、画像検出部で検出された１または２以上の物標の中で、注目する物標に最も近い位置にある物標を照合し、それらの組合せを検出することを含む。第２の照合は、画像検出部によって検出された注目する物標に対して、その距離情報および横位置情報を得るのと並行して、ミリ波レーダ検出部によって検出された１または２以上の物標の中で、注目する物標に最も近い位置にある物標を照合し、それらの組合せを検出することを含む。さらにこの照合部は、ミリ波レーダ検出部によって検出されたこれらの各物標に対する組合せと、画像検出部によって検出されたこれらの各物標に対する組合せとにおいて一致する組合せがあるか否かを判定する。そして一致する組合せがある場合には、２つの検出部で同一の物体を検出していると判断する。これにより、ミリ波レーダ検出部と画像検出部とでそれぞれ検出された物標の照合を行う。
これに関連する技術は、米国特許第７３５８８８９号明細書に記載されている。その開示内容全体を本明細書に援用する。この公報において、画像検出部は、２つのカメラを有する、いわゆるステレオカメラを例示して、説明されている。しかしこの技術は、これに限定されるものではない。画像検出部が１つのカメラを有する場合でも、検出された物標に対して適宜画像認識処理等を行うことで、物標の距離情報と横位置情報とが得られればよい。同様に画像検出部としてレーザスキャナ等のレーザセンサを用いてもよい。
第２の検出装置における照合部は、所定時間毎に、ミリ波レーダ検出部による検出結果と画像検出部による検出結果とを照合する。照合部は、前回の照合結果で２つの検出部で同一の物標を検出していると判断した場合、その前回の照合結果を用いて照合を行う。具体的には、照合部は、ミリ波レーダ検出部で今回検出された物標および画像検出部で今回検出された物標と、前回の照合結果において判断されている２つの検出部で検出された物標とを照合する。そして、照合部は、ミリ波レーダ検出部で今回検出された物標との照合結果と、画像検出部で今回検出された物標との照合結果とに基づいて、２つの検出部で同一の物標を検出しているか否かを判断する。このように、この検出装置は、２つの検出部による検出結果を直接照合するのではなく、前回の照合結果を利用して２つの検出結果と時系列での照合を行う。このため、瞬間的な照合しか行わない場合に比べて検出精度が向上し、安定的な照合を行うことができる。特に、瞬間的に検出部の精度が低下したときでも、過去の照合結果を利用しているので、照合が可能である。また、この検出装置では、前回の照合結果を利用することにより、２つの検出部の照合を簡単に行うことができる。
また、この検出装置の照合部は、前回の照合結果を利用した今回の照合において、２つの検出部で同一の物体を検出していると判断した場合、その判断された物体を除いて、ミリ波レーダ検出部で今回検出された物体と、画像検出部で今回検出された物体とを照合する。そして、この照合部は、２つの検出部で今回検出された同一の物体があるか否かを判断する。このように、検出装置は、時系列での照合結果を考慮した上で、その一瞬一瞬で得られた２つの検出結果により瞬間的な照合を行う。そのため、検出装置は、今回の検出で検出した物体も確実に照合することができる。
これらに関連する技術は、米国特許第７４１７５８０号明細書に記載されている。その開示内容全体を本明細書に援用する。この公報においては、画像検出部は、２つのカメラを有する、いわゆるステレオカメラを例示して、説明されている。しかしこの技術は、これに限定されるものではない。画像検出部が１つのカメラを有する場合でも、検出された物標に対して適宜画像認識処理等を行うことで、物標の距離情報と横位置情報とが得られればよい。同様に、画像検出部としてレーザスキャナ等のレーザセンサを用いてもよい。
第３の検出装置における２つの検出部および照合部は、所定の時間間隔で物標の検出とこれらの照合を行い、これらの検出結果と照合結果とが時系列でメモリなどの記憶媒体に記憶される。そして照合部は、画像検出部によって検出された物標の画像上のサイズの変化率と、ミリ波レーダ検出部によって検出された自車両から物標までの距離およびその変化率（自車両との相対速度）とに基づいて、画像検出部によって検出された物標とミリ波レーダ検出部によって検出された物標とが同一物体であるかどうかを判断する。
照合部は、これらの物標が同一物体であると判断した場合には、画像検出部によって検出された物標の画像上の位置と、ミリ波レーダ検出部によって検出された自車から物標までの距離および／またはその変化率とに基づき、車両との衝突の可能性を予測する。
これらに関連する技術は、米国特許第６９０３６７７号明細書に記載されている。その開示内容全体を本明細書に援用する。
以上説明した通り、ミリ波レーダとカメラ等の画像撮像装置とのフュージョン処理においては、カメラ等で得られた画像とミリ波レーダにて得られたレーダ情報とが、照合される。上述した本開示の実施形態によるアレーアンテナを用いたミリ波レーダは、高性能且つ小型に構成可能である。従って、上記照合処理を含むフュージョン処理全体について、高性能化と小型化等が達成できる。これにより、物標認識の精度が向上し、車両のより安全な運行制御が可能となる。
［他のフュージョン処理］
フュージョン処理においては、カメラ等で得られた画像とミリ波レーダ検出部にて得られたレーダ情報との照合処理に基づき、種々の機能が実現される。その代表的な機能を実現する処理装置の例を以下に説明する。
以下の処理装置は、車両に設置され、少なくとも、所定方向に電磁波を送受するミリ波レーダ検出部と、このミリ波レーダ検出部の視野と重複する視野を有する単眼カメラ等の画像取得部と、これらから情報を得て物標の検出等を行う処理部とを備える。ミリ波レーダ検出部は、その視野におけるレーダ情報を取得する。画像取得部は、その視野における画像情報を取得する。画像取得部には、光学カメラ、ＬＩＤＡＲ、赤外線レーダ、超音波レーダの何れか１つ、または２以上が選択されて使用され得る。処理部は、ミリ波レーダ検出部および画像取得部に接続された処理回路によって実現され得る。以下の処理装置は、この処理部における処理内容が異なっている。
第１の処理装置の処理部は、ミリ波レーダ検出部によって検出された物標と同一であると認識される物標を、画像取得部によって撮像された画像から抽出する。即ち、前述した検出装置による照合処理が行われる。そして、抽出された物標の画像の右側エッジおよび左側エッジの情報を取得し、取得された右側エッジおよび左側エッジの軌跡を近似する直線または所定の曲線である軌跡近似線を両エッジについて導出する。この軌跡近似線上に存在するエッジの数が多い方を物標の真のエッジとして選択する。そして真のエッジとして選択された方のエッジの位置に基づいて物標の横位置を導出する。これにより、物標の横位置の検出精度をより向上させることが可能である。
これらに関連する技術は、米国特許第８６１０６２０号明細書に記載されている。この文献の開示内容全体を本明細書に援用する。
第２の処理装置の処理部は、物標の有無の決定に際して、画像情報に基づいて、レーダ情報における物標の有無の決定に用いられる判断基準値を変更する。これにより、例えば車両運行の障害物となる物標画像がカメラ等にて確認できた場合、あるいは物標の存在が推定された場合等において、ミリ波レーダ検出部による物標検出の判断基準を最適に変更することで、より正確な物標情報を得ることができる。即ち、障害物の存在する可能性が高い場合には、判断基準を変更することより、確実にこの処理装置を作動させることが可能となる。他方、障害物の存在する可能性が低い場合に、この処理装置の不要な作動を防止できる。これにより、適切なシステムの作動が行える。
さらにこの場合、処理部は、レーダ情報に基づいて画像情報の検出領域を設定し、この領域内の画像情報に基づいて障害物の存在を推定することも可能である。これにより検出処理の効率化を図ることができる。
これらに関連する技術は、米国特許第７５７０１９８号明細書に記載されている。この文献の開示内容全体を本明細書に援用する。
第３の処理装置の処理部は、複数の異なる画像撮像装置およびミリ波レーダ検出部により得られた画像およびレーダ情報に基づく画像信号を、少なくとも１台の表示装置に表示する複合表示を行う。この表示処理において、水平、垂直同期信号を複数の画像撮像装置およびミリ波レーダ検出部で相互に同期させ、これらの装置からの画像信号に対して、１水平走査期間内もしくは１垂直走査期間内で所望の画像信号に選択的に切り替え可能とする。これにより、水平および垂直同期信号に基づき、選択された複数の画像信号の像を並べて表示可能とし、かつ、表示装置から所望の画像撮像装置およびミリ波レーダ検出部における制御動作を設定する制御信号を送出する。
複数台の異なる表示装置にそれぞれの画像等が表示された場合は、それぞれの画像間の比較が困難となる。また表示装置が第３の処理装置本体とは別個に配置される場合には装置に対する操作性がよくない。第３の処理装置は、このような欠点を克服する。
これらに関連する技術は、米国特許第６６２８２９９号明細書、および米国特許第７１６１５６１号明細書に記載されている。これらの開示内容全体を本明細書に援用する。
第４の処理装置の処理部は、車両の前方にある物標について、画像取得部およびミリ波レーダ検出部に指示し、その物標を含む画像およびレーダ情報を取得する。処理部は、その画像情報の内、その物標が含まれる領域を決定する。処理部は、さらに、この領域におけるレーダ情報を抽出し、車両から物標までの距離および車両と物標との相対速度を検出する。処理部は、これらの情報に基づいて、その物標が車両に衝突する可能性を判定する。これによりいち早く物標との衝突可能性を判定する。
これらに関連する技術は、米国特許第８０６８１３４号明細書に記載されている。これらの開示内容全体を本明細書に援用する。
第５の処理装置の処理部は、レーダ情報により、またはレーダ情報と画像情報とに基づくフュージョン処理により、車両前方の１または２以上の物標を認識する。この物標には、他の車両または歩行者等の移動体、道路上の白線によって示された走行レーン、路肩およびそこにある静止物（側溝および障害物等を含む）、信号機、横断歩道等が含まれる。処理部は、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）アンテナを含み得る。ＧＰＳアンテナによって自車両の位置を検出し、その位置に基づき、道路地図情報を格納した記憶装置（地図情報データベース装置と称する）を検索し、地図上の現在位置を確認してもよい。この地図上の現在位置と、レーダ情報等によって認識された１または２以上の物標とを比較し、走行環境を認識することができる。これに基づき、処理部は、車両走行に障害となると推定される物標を抽出し、より安全な運行情報を見出し、必要に応じて表示装置に表示し、運転者に知らせてもよい。
これらに関連する技術は、米国特許第６１９１７０４号明細書に記載されている。その開示内容全体を本明細書に援用する。
第５の処理装置は、さらに、車両外部の地図情報データベース装置と通信するデータ通信装置（通信回路を有する）を有していてもよい。データ通信装置は、例えば毎週１回または月１回程度の周期で、地図情報データベース装置にアクセスし、最新の地図情報をダウンロードする。これにより、最新の地図情報を用いて、上記の処理を行うことができる。
第５の処理装置は、さらに、上記の車両運行時に取得した最新の地図情報と、レーダ情報等によって認識された１または２以上の物標に関する認識情報とを比較し、地図情報にはない物標情報（以下「地図更新情報」という）を抽出してもよい。そしてこの地図更新情報を、データ通信装置を介して地図情報データベース装置に送信してもよい。地図情報データベース装置は、この地図更新情報を、データベース内の地図情報に関連付けて記憶し、必要があれば現在の地図情報そのものを更新してもよい。更新に際しては、複数の車両から得られた地図更新情報を比較することで、更新の確実性を検証してもよい。
なお、この地図更新情報には、現在の地図情報データベース装置が有する地図情報より詳しい情報を含むことができる。例えば一般の地図情報では、道路の概形は把握できるが、例えば路肩部分の幅またはそこにある側溝の幅、新たに生じた凹凸または建造物の形状等の情報は含まれない。また、車道と歩道の高さ、または歩道に繋がるスロープの状況等の情報も含まれない。地図情報データベース装置は、別途設定された条件に基づき、これらの詳しい情報（以下「地図更新詳細情報」という）を、地図情報と関連付けて記憶しておくことができる。これらの地図更新詳細情報は、自車両を含む車両に、元の地図情報よりも詳しい情報を提供することで、車両の安全走行の用途に加えて、他の用途でも利用可能となる。ここで「自車両を含む車両」とは、例えば自動車でもよいし、二輪車、自転車、あるいは今後新たに出現する自動走行車両、例えば電動車椅子等であってもよい。地図更新詳細情報は、これらの車両が運行する際に利用される。
（ニューラルネットワークによる認識）
第１から第５の処理装置は、さらに、高度認識装置を備えていてもよい。高度認識装置は、車両の外部に設置されていてもよい。その場合、車両は、高度認識装置と通信する高速データ通信装置を備え得る。高度認識装置は、いわゆるディープラーニング等を含むニューラルネットワークにて構成されてもよい。このニューラルネットワークは、例えば、畳み込みニューラルネットワーク（Ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎａｌ Ｎｅｕｒａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ、以下「ＣＮＮ」という）を含むことがある。ＣＮＮは、画像認識で成果を挙げているニューラルネットワークであり、その特徴の１つは、畳み込み層（Ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎａｌ Ｌａｙｅｒ）とプーリング層（Ｐｏｏｌｉｎｇ Ｌａｙｅｒ）と呼ばれる２つの層の組を一または複数持つ点にある。
処理装置における畳み込み層に入力される情報として、少なくとも次の３種類の何れかがあり得る。
（１）ミリ波レーダ検出部で取得されたレーダ情報に基づき得られた情報
（２）レーダ情報に基づき、画像取得部で取得された特定画像情報に基づき得られた情報（３）レーダ情報と、画像取得部で取得された画像情報とに基づいて得られたフュージョン情報、またはこのフュージョン情報に基づき得られた情報
これらの何れかの情報、あるいはこれらの組み合わせられた情報に基づき、畳み込み層に対応する積和演算が行われる。その結果は、次段のプーリング層に入力され、予め設定されたルールに基づき、データの選択が行われる。そのルールとしては、例えば、画素値の最大値を選ぶ最大プーリング（ｍａｘ ｐｏｏｌｉｎｇ）では、畳み込み層の分割領域ごとに、その中の最大値を選択し、これがプーリング層における対応する位置の値とされる。
ＣＮＮで構成された高度認識装置は、このような畳み込み層とプーリング層を一組、あるいは複数組、直列につなぐ構成を有することがある。これにより、レーダ情報および画像情報に含まれた車両周辺の物標を正確に認識することができる。
これらに関連する技術は、米国特許第８８６１８４２号明細書、米国特許第９２８６５２４号明細書、および米国特許出願公開第２０１６／０１４０４２４号明細書に記載されている。これらの開示内容全体を本明細書に援用する。
第６の処理装置の処理部は、車両のヘッドランプ制御に関係する処理を行う。車両を夜間に走行させる際、運転者は、自車両の前方に他の車両または歩行者が存在するか否かを確認し、自車両のヘッドランプのビームを操作する。他の車両の運転者または歩行者が、自車両のヘッドランプで幻惑されることを防ぐためである。この第６の処理装置は、レーダ情報、またはレーダ情報とカメラ等による画像との組み合わせを用いて、自車両のヘッドランプを自動で制御する。
処理部は、レーダ情報により、またはレーダ情報と画像情報とに基づくフュージョン処理により、車両前方の車両あるいは歩行者に該当する物標を検出する。この場合、車両前方の車両には、前方の先行車両、対向車線の車両、２輪車等が含まれる。処理部は、これらの物標を検出した場合、ヘッドランプのビームを下げる指令を出す。この指令を受けた車両内部の制御部（制御回路）は、ヘッドランプを操作し、そのビームを下げる。
これらに関連する技術は、米国特許第６４０３９４２号明細書、米国特許第６６１１６１０号明細書、米国特許第８５４３２７７号明細書、米国特許第８５９３５２１号明細書、および米国特許第８６３６３９３号明細書に記載されている。これらの開示内容全体を本明細書に援用する。
以上説明したミリ波レーダ検出部による処理、およびミリ波レーダ検出部とカメラ等の画像撮像装置とのフュージョン処理においては、ミリ波レーダを高性能且つ小型に構成可能であることから、レーダ処理、またはフュージョン処理全体の高性能化と小型化等が達成できる。これにより、物標認識の精度が向上し、車両のより安全な運行制御が可能となる。
＜応用例２：各種監視システム（自然物、建造物、道路、見守り、セキュリティ）＞
本開示の実施形態によるアレーアンテナを備えるミリ波レーダ（レーダーシステム）は、自然物、気象、建造物、セキュリティ、介護等における監視の分野でも、広く活用することができる。これに関係する監視システムでは、ミリ波レーダを含む監視装置は、例えば固定した位置に設置され、監視対象を常時監視する。その際、ミリ波レーダは、監視対象における検知分解能を最適値に調整し、設定される。
本開示の実施形態によるアレーアンテナを備えるミリ波レーダは、例えば１００ＧＨｚを超える高周波電磁波による検出が可能である。また、レーダ認識に用いられる方式、例えばＦＭＣＷ方式等における変調帯域については、当該ミリ波レーダは、現在４ＧＨｚを超える広帯域を実現している。即ち前述した超広帯域（ＵＷＢ：Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）に対応している。この変調帯域は、距離分解能に関係する。即ち従来のパッチアンテナにおける変調帯域は６００ＭＨｚ程度までであったことから、その距離分解能は２５ｃｍであった。これに対し、本アレーアンテナに関係するミリ波レーダでは、その距離分解能が３．７５ｃｍとなる。これは、従来のＬＩＤＡＲの距離分解能にも匹敵する性能を実現できることを示している。一方、ＬＩＤＡＲ等の光学式センサは、前述したとおり、夜間または悪天候時には物標を検出できない。これに対してミリ波レーダでは、昼夜、天候にかかわらず、常時検出が可能である。これにより従来のパッチアンテナを利用したミリ波レーダでは適用できなかった多様な用途で、本アレーアンテナに関係するミリ波レーダを利用することが可能になった。
図４１は、ミリ波レーダによる監視システム１５００の構成例を示す図である。ミリ波レーダによる監視システム１５００は、少なくとも、センサ部１０１０と本体部１１００とを備える。センサ部１０１０は、少なくとも、監視対象１０１５に照準を合わせたアンテナ１０１１と、送受される電磁波に基づいて物標を検出するミリ波レーダ検出部１０１２と、検出されたレーダ情報を送信する通信部（通信回路）１０１３とを備える。本体部１１００は、少なくとも、レーダ情報を受信する通信部（通信回路）１１０３と、受信したレーダ情報に基づいて所定の処理を行う処理部（処理回路）１１０１と、過去のレーダ情報および所定の処理に必要な他の情報等を蓄積するデータ蓄積部（記録媒体）１１０２とを備える。センサ部１０１０と本体部１１００との間には、通信回線１３００があり、これを介して両者間での情報およびコマンドの送信および受信が行われる。ここで通信回線とは、例えば、インターネット等の汎用の通信ネットワーク、携帯通信ネットワーク、専用の通信回線等の何れかを含み得る。なお、本監視システム１５００は、通信回線を介することなく、センサ部１０１０と本体部１１００とが直接接続される構成でもよい。センサ部１０１０には、ミリ波レーダに加えて、カメラ等の光学センサを併設することもできる。これにより、レーダ情報とカメラ等による画像情報とのフュージョン処理による物標認識を行うことで、監視対象１０１５等のより高度な検出が可能になる。
以下これらの応用事例を実現する監視システムの例を、具体的に説明する。
［自然物監視システム］
第１の監視システムは、自然物を対象に監視するシステム（以下「自然物監視システム」という）である。図４１を参照して、この自然物監視システムについて説明する。この自然物監視システム１５００における監視対象１０１５は、例えば河川、海面、山岳、火山、地表等であり得る。例えば河川が監視対象１０１５である場合、定位置に固定されたセンサ部１０１０が、河川１０１５の水面を常時監視する。その水面情報は、常時、本体部１１００における処理部１１０１に送信される。そして水面が一定以上の高さになった場合、処理部１１０１は、本監視システムとは別に設けられた、例えば気象観測監視システム等の他のシステム１２００に、通信回線１３００を介してその旨を知らせる。あるいは、処理部１１０１は、河川１０１５に設けられた水門等（図示せず）を自動的に閉鎖するための指示情報を、水門を管理するシステム（図示せず）に送付する。
この自然物監視システム１５００は、１つの本体部１１００で、複数のセンサ部１０１０、１０２０等を監視することができる。この複数のセンサ部が、一定の地域に分散して配置された場合、その地域における河川の水位状況を同時に把握できる。これにより、この地域における降雨が、河川の水位にどの様に影響し、洪水等の災害に繋がる可能性があるか否かを評価することも可能になる。これに関する情報は、通信回線１３００を介して、気象観測監視システム等の他のシステム１２００に知らせることができる。これにより、気象観測監視システム等の他のシステム１２００は、より広域の気象観測または災害予想に、通知された情報を活用することができる。
この自然物監視システム１５００は、河川以外の他の自然物にも同様に適用できる。例えば津波または高潮を監視する監視システムにおいては、その監視対象は、海面水位である。また海面水位の上昇に対応して、防潮堤の水門を自動的に開閉することも可能である。あるいは、降雨または地震等による山崩れを監視する監視システムでは、その監視対象は、山岳部の地表等である。
［交通路監視システム］
第２の監視システムは、交通路を監視するシステム（以下「交通路監視システム」という）である。この交通路監視システムにおける監視対象は、例えば、鉄道の踏切、特定の線路、空港の滑走路、道路の交差点、特定の道路、または駐車場等であり得る。
例えば監視対象が鉄道の踏切である場合、踏切内部を監視できる位置にセンサ部１０１０が配置される。この場合、センサ部１０１０は、ミリ波レーダに加えて、カメラ等の光学センサも併設してよい。この場合には、レーダ情報と画像情報とのフュージョン処理により、より多角的に監視対象における物標を検出できる。センサ部１０１０によって得られた物標情報は、通信回線１３００を介して、本体部１１００に送られる。本体部１１００は、より高度な認識処理、制御で必要となる他の情報（例えば電車の運行情報等）の収集、およびこれらに基づく必要な制御指示等を行う。ここで、必要な制御指示とは、例えば、踏切閉鎖時に踏切内部に人または車両等が確認された場合に、電車を停止させる等の指示をいう。
また、例えば監視対象を空港の滑走路とした場合は、滑走路上を所定の分解能、例えば滑走路上の５ｃｍ角以上の異物が検出できる分解能を実現できる様に、複数のセンサ部１０１０、１０２０等が、滑走路に沿って配置される。監視システム１５００は、滑走路上を昼夜、天候を問わず常時監視する。この機能は、ＵＷＢ対応が可能な本開示の実施形態におけるミリ波レーダを用いるからこそ実現できる機能である。また、本ミリ波レーダ装置は、小型、高解像、低コストで実現できるので、滑走路全面を隈なくカバーする場合にも、現実的な対応が可能である。この場合、本体部１１００は、複数のセンサ部１０１０、１０２０等を統合管理する。本体部１１００は、滑走路上に異物を確認した場合、空港管制システム（図示せず）に、異物の位置と大きさに関する情報を送信する。これを受けた空港管制システムは、その滑走路での離着陸を一時的に禁止する。その間、本体部１１００は、例えば別途設けられた滑走路上を自動的に清掃する車両等に対して、異物の位置と大きさに関する情報を送信する。これを受けた清掃車両は、自力で異物がある位置に移動し、その異物を自動的に除去する。清掃車両は、異物の除去が完了すると、本体部１１００にその旨の情報を送信する。そして本体部１１００は、その異物を検出したセンサ部１０１０等が「異物がない」ことを再度確認し、安全であることを確認した後、空港管制システムにその旨を伝える。これを受けた空港管制システムは、該当する滑走路の離着陸禁止を解除する。
さらに、例えば監視対象を駐車場とした場合、駐車場のどの位置が空いているのかを、自動的に認識することができる。これに関連する技術は、米国特許第６９４３７２６号明細書に記載されている。その開示内容全体を、本明細書に援用する。
［セキュリティ監視システム］
第３の監視システムは、私有敷地内または家屋への不法侵入者を監視するシステム（以下「セキュリティ監視システム」という）である。このセキュリティ監視システムでの監視対象は、例えば、私有敷地内または家屋内等の特定領域である。
例えば、監視対象を私有敷地内とした場合、これを監視できる１または２以上の位置にセンサ部１０１０が配置される。この場合、センサ部１０１０として、ミリ波レーダに加えて、カメラ等の光学センサも併設してよい。この場合には、レーダ情報と画像情報とのフュージョン処理により、より多角的に監視対象における物標を検出できる。センサ部１０１０で得られた物標情報は、通信回線１３００を介して、本体部１１００に送られる。本体部１１００において、より高度な認識処理、制御で必要となる他の情報（例えば侵入対象が人であるか犬または鳥等の動物であるかを正確に認識するために必要となる参照データ等）の収集、およびこれらに基づく必要な制御指示等が行われる。ここで、必要な制御指示とは、例えば、敷地内に設置された警報を鳴らすとか、照明を点ける等の指示に加えて、携帯通信回線等を通じて敷地の管理者に直接通報する等の指示を含む。本体部１１００における処理部１１０１は、検出された物標を、内蔵した、ディープラーニング等の手法を採用した高度認識装置に認識させてもよい。あるいは、この高度認識装置は、外部に配置されていてもよい。その場合、高度認識装置は、通信回線１３００によって接続され得る。
これに関連する技術は、米国特許第７４２５９８３号明細書に記載されている。その開示内容全体を本明細書に援用する。
このようなセキュリティ監視システムの他の実施形態として、空港の搭乗口、駅の改札口、建物の入り口等に設置される人監視システムにも応用することができる。この人監視システムでの監視対象は、例えば、空港の搭乗口、駅の改札口、建物の入り口等である。
例えば監視対象が空港の搭乗口である場合、センサ部１０１０は、例えば搭乗口の持ち物検査装置に設置され得る。この場合、その検査方法には次の２通りの方法がある。１つは、ミリ波レーダが、自らが送信した電磁波が監視対象である搭乗者で反射して戻ってきた電磁波を受信することで、搭乗者の持ち物等を検査する方法である。もう１つは、搭乗者自らの人体から放射される微弱なミリ波をアンテナで受けることで、搭乗者が隠し持つ異物を検査する方法である。後者の方法では、ミリ波レーダには、受信するミリ波をスキャンする機能を持つことが望ましい。このスキャン機能は、デジタルビームフォーミングを利用することによって実現してもよいし、機械的なスキャン動作によって実現してもよい。なお、本体部１１００の処理については、前述した例と同様の通信処理および認識処理を用いることもできる。
［建造物検査システム（非破壊検査）］
第４の監視システムは、道路もしくは鉄道の高架橋または建造物等のコンクリートの内部、または道路もしくは地面の内部等の監視または検査を行うシステム（以下「建造物検査システム」という）である。この建造物検査システムでの監視対象は、例えば、高架橋もしくは建造物等のコンクリートの内部、または道路もしくは地面の内部等である。
例えば、監視対象がコンクリート建造物の内部である場合、センサ部１０１０は、コンクリート建造物の表面に沿ってアンテナ１０１１を走査させることができる構造を有する。ここで「走査」は、手動で実現してもよいし、走査用の固定レールを別途設置し、このレール上をモータ等の駆動力を用いて移動させることで実現してもよい。また、監視対象が道路または地面の場合は、アンテナ１０１１を車両等に下向きに設置し、車両を一定速度で走行させることによって「走査」を実現してもよい。センサ部１０１０で使用される電磁波は、例えば１００ＧＨｚを超える、いわゆるテラヘルツ領域のミリ波を用いてもよい。前述したとおり、本開示の実施形態におけるアレーアンテナによれば、例えば１００ＧＨｚを超える電磁波にも、従来のパッチアンテナ等に比較して、より少ない損失のアンテナを構成できる。より高周波の電磁波は、コンクリート等の検査対象物に、より深く浸透することができ、より正確な非破壊検査を実現できる。なお、本体部１１００の処理については、前述した他の監視システム等と同様の通信処理や認識処理も用いることができる。
これに関連する技術は、米国特許第６６６１３６７号明細書に記載されている。その開示内容全体を本明細書に援用する。
［人監視システム］
第５の監視システムは、介護対象者を見守るシステム（以下「人見守りシステム」という）である。この人見守りシステムでの監視対象は、例えば、介護者または病院の患者等である。
例えば監視対象を介護施設の室内における介護者とした場合、この室内に、室内全体を監視できる１または２以上の位置に、センサ部１０１０が配置される。この場合、センサ部１０１０には、ミリ波レーダに加えて、カメラ等の光学センサも併設してよい。この場合には、レーダ情報と画像情報とのフュージョン処理により、より多角的に監視対象を監視できる。他方、監視対象を人とした場合、プライバシー保護の観点から、カメラ等での監視は適当でない場合がある。この点を考慮して、センサを選択する必要がある。なお、ミリ波レーダでの物標検出では、監視対象の人を、画像ではなくその影ともいえる信号によって取得することができる。従って、ミリ波レーダは、プライバシー保護の観点から、望ましいセンサと言える。
センサ部１０１０で得られた介護者の情報は、通信回線１３００を介して、本体部１１００に送られる。センサ部１０１０は、より高度な認識処理、制御で必要となる他の情報（例えば介護者の物標情報を正確に認識するために必要となる参照データ等）の収集、およびこれらに基づく必要な制御指示等、を行う。ここで、必要な制御指示とは、例えば、検出結果に基づき、管理者に直接通報する等の指示を含む。また、本体部１１００の処理部１１０１は、検出された物標を、内蔵した、ディープラーニング等の手法を採用した高度認識装置に認識させてもよい。この高度認識装置は、外部に配置されてもよい。その場合、高度認識装置は、通信回線１３００によって接続され得る。
ミリ波レーダで人を監視対象とする場合、少なくとも次の２つの機能を追加することができる。
第１の機能は、心拍数・呼吸数の監視機能である。ミリ波レーダでは、電磁波は衣服を透過して、人体の皮膚表面の位置および動きを検出できる。処理部１１０１は、まず監視対象となる人とその外形を検出する。次に、例えば心拍数を検知する場合は、心拍の動きが検出しやすい体表面の位置を特定し、そこの動きを時系列化して検出する。これにより、例えば１分間の心拍数を検出することができる。呼吸数を検知する場合も同様である。この機能を用いることで、介護者の健康状態を常時確認することができ、より質の高い介護者への見守りが可能である。
第２の機能は、転倒検出機能である。老人等の介護者は、足腰が弱っていることに起因して、転倒することがある。人が転倒する場合、人体の特定部位、例えば頭部等、の速度、または加速度が一定以上になる。ミリ波レーダで人を監視対象とする場合、常時、対象物標の相対速度または加速度を検出することができる。従って、例えば監視対象として頭部を特定し、その相対速度または加速度を時系列的に検知することで、一定値以上の速度を検出した場合、転倒したと認識することができる。処理部１１０１は、転倒を認識した場合、例えば的確な介護支援に対応する指示等を発行することができる。
なお、以上説明した監視システム等では、センサ部１０１０が一定の位置に固定されていた。しかしセンサ部１０１０を、例えばロボット、車両、ドローン等の飛行体等の移動体に設置することも可能である。ここで車両等には、例えば自動車のみならず、電動車椅子等の小型移動体も含まれる。この場合、この移動体は、自己の現在位置を常に確認するためにＧＰＳユニットを内蔵してもよい。加えてこの移動体は、地図情報および前述の第５の処理装置について説明した地図更新情報を用いて、自らの現在位置の正確性をさらに向上させる機能を有していてもよい。
さらに、以上説明した、第１から第３の検出装置、第１から第６の処理装置、第１から第５の監視システム等と類似する装置またはシステムにおいて、これらと同様の構成を利用することで、本開示の実施形態におけるアレーアンテナまたはミリ波レーダを用いることができる。
＜応用例３：通信システム＞
［通信システムの第１の例］
本開示における導波路装置およびアンテナ装置（アレーアンテナ）は、通信システム（ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）を構成する送信機（ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）および／または受信機（ｒｅｃｅｉｖｅｒ）に用いることができる。本開示における導波路装置およびアンテナ装置は、積層された導電部材を用いて構成されるため、中空導波管を用いる場合に比して、送信機および／または受信機のサイズを小さく抑えることができる。また、誘電体を必要としないため、マイクロストリップ線路を用いる場合に比して、電磁波の誘電損失を小さく抑えることができる。よって、小型で高効率の送信機および／または受信機を備える通信システムを構築することができる。
そのような通信システムは、アナログ信号に直接変調をかけて送受信する、アナログ式通信システムであり得る。しかし、デジタル式通信システムであれば、より柔軟で性能の高い通信システムを構築することが可能である。
以下、図４２を参照しながら、本開示の実施形態における導波路装置およびアンテナ装置を用いた、デジタル式通信システム８００Ａを説明する。
図４２は、デジタル式通信システム８００Ａの構成を示すブロック図である。通信システム８００Ａは、送信機８１０Ａと受信機８２０Ａとを備えている。送信機８１０Ａは、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ８１２と、符号化器８１３と、変調器８１４と、送信アンテナ８１５とを備えている。受信機８２０Ａは、受信アンテナ８２５と、復調器８２４と、復号化器８２３と、デジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ８２２とを備えている。送信アンテナ８１５および受信アンテナ８２５の少なくとも一方は、本開示の実施形態におけるアレーアンテナによって実現され得る。本応用例において、送信アンテナ８１５に接続される変調器８１４、符号化器８１３、およびＡ／Ｄコンバータ８１２などを含む回路を、送信回路と称する。受信アンテナ８２５に接続される復調器８２４、復号化器８２３、およびＤ／Ａコンバータ８２２などを含む回路を、受信回路と称する。送信回路と受信回路とを合わせて、通信回路と称することもある。
送信機８１０Ａは、信号源８１１から受け取ったアナログ信号を、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ８１２によってデジタル信号に変換する。次に、デジタル信号は、符号化器８１３によって符号化される。ここで、符号化とは、送信すべきデジタル信号を操作し、通信に適した形態に変換することを指す。そのような符号化の例としては、ＣＤＭ（Ｃｏｄｅ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）等がある。また、ＴＤＭ（Ｔｉｍｅ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）またはＦＤＭ （Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）、またはＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）を行うための変換も、この符号化の一例である。符号化された信号は、変調器８１４によって高周波信号に変換され、送信アンテナ８１５から送信される。
なお、通信の分野では、搬送波に重畳される信号を表す波を「信号波」と称することがあるが、本明細書における「信号波」の用語は、そのような意味では用いられていない。本明細書における「信号波」とは、導波路を伝搬する電磁波、およびアンテナ素子を用いて送受信される電磁波を広く意味する。
受信機８２０Ａは、受信アンテナ８２５で受信した高周波信号を、復調器８２４によって低周波の信号に戻し、復号化器８２３によってデジタル信号に戻す。復号されたデジタル信号は、デジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ８２２でアナログ信号に戻され、データシンク（データ受信装置）８２１に送られる。以上の処理により、一連の送信と受信のプロセスが完了する。
通信する主体がコンピュータのようなデジタル機器である場合は、上記の処理において、送信信号のアナログ／デジタル変換、および受信信号のデジタル／アナログ変換は不要である。したがって、図４２におけるアナログ／デジタルコンバータ８１２およびデジタル／アナログコンバータ８２２は省略可能である。このような構成のシステムも、デジタル式通信システムに含まれる。
デジタル式通信システムにおいては、信号強度の確保、または通信容量の拡大のために、様々な方法が用いられる。そのような方法の多くは、ミリ波帯またはテラヘルツ帯の電波を用いる通信システムにおいても有効である。
ミリ波帯またはテラヘルツ帯における電波は、より低い周波数の電波に比して直進性が高く、障害物の陰の側に回り込む回折は小さい。このため、受信機が、送信機から送信された電波を直接に受信できないことも少なくない。そのような状況でも、反射波を受信できることは多いが、反射波の電波信号の質は直接波よりも劣ることが多いため、安定した受信はより難しくなる。また、複数の反射波が異なる経路を通って到来することもある。その場合、経路長の異なる受信波は互いに位相が異なり、マルチパス・フェージング（Ｍｕｌｔｉ−Ｐａｔｈ Ｆａｄｉｎｇ）を引き起こす。
このような状況を改善するための技術として、アンテナダイバーシティ（Ａｎｔｅｎｎａ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）と呼ばれる技術を利用することができる。この技術においては、送信機および受信機の少なくとも一方は、複数のアンテナを備える。それらの複数のアンテナ間の距離が、波長程度以上異なれば、受信波の状態は異なってくる。そこで、最も品質のよい送受信が行えるアンテナが選択して用いられる。こうすることで通信の信頼性を高めることができる。また、複数のアンテナから得られる信号を合成して信号の品質の改善を図ってもよい。
図４２に示される通信システム８００Ａにおいて、例えば受信機８２０Ａは受信アンテナ８２５を複数個備えていてもよい。この場合、複数の受信アンテナ８２５と復調器８２４との間には、切り替え器が介在する。受信機８２０Ａは、切り替え器によって、複数の受信アンテナ８２５の中から最も品質のよい信号が得られるアンテナと復調器８２４とを接続する。なお、この例において、送信機８１０Ａが送信アンテナ８１５を複数個備えていてもよい。
［通信システムの第２の例］
図４３は、電波の放射パターンを変化させることのできる送信機８１０Ｂを含む通信システム８００Ｂの例を示すブロック図である。この応用例において、受信機は図４２に示す受信機８２０Ａと同一である。このため、図４３には受信機は図示されていない。送信機８１０Ｂは、送信機８１０Ａの構成に加えて、複数個のアンテナ素子８１５１を含むアンテナアレイ８１５ｂを有する。アンテナアレイ８１５ｂは、本開示の実施形態におけるアレーアンテナであり得る。送信機８１０Ｂはさらに、複数のアンテナ素子８１５１と変調器８１４との間にそれぞれ接続された複数の移相器（ＰＳ）８１６を有する。この送信機８１０Ｂにおいて、変調器８１４の出力は、複数の移相器８１６に送られ、そこで位相差を付与されて、複数のアンテナ素子８１５１に導かれる。複数のアンテナ素子８１５１が等間隔に配置されている場合において、各アンテナ素子８１５１に、隣り合うアンテナ素子に対して一定量だけ異なる位相の高周波信号が供給される場合、その位相差に応じてアンテナアレイ８１５ｂの主ローブ８１７は正面から傾いた方位を向く。この方法はビームフォーミング（Ｂｅａｍ Ｆｏｒｍｉｎｇ）と呼ばれることがある。
各移相器８１６が付与する位相差を様々に異ならせて主ローブ８１７の方位を変化させることができる。この方法はビームステアリング（Ｂｅａｍ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ）と呼ばれることがある。送受信の状態が最も良くなる位相差を見つけることにより、通信の信頼性を高めることができる。なお、ここでは移相器８１６が付与する位相差が、隣り合うアンテナ素子８１５１の間では一定である例を説明したが、そのような例に限られない。また、直接波だけではなく、反射波が受信機に届く方位に電波が放射されるように、位相差が付与されてもよい。
送信機８１０Ｂでは、ヌルステアリング（Ｎｕｌｌ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ）と呼ばれる方法も利用できる。これは、位相差を調節することで、特定の方向に電波が放射されない状態を作る方法を指す。ヌルステアリングを行うことにより、電波を送信したくない他の受信機に向けて放射される電波を抑制することができる。これにより、混信を回避することができる。ミリ波またはテラヘルツ波を用いたデジタル通信は、非常に広い周波数帯域を利用できるが、それでも、可能な限り効率的に帯域を利用することが好ましい。ヌルステアリングを利用すれば、同一の帯域で複数の送受信が行えるため、帯域の利用効率を高めることができる。ビームフォーミング、ビームステアリング、およびヌルステアリング等の技術を用いて帯域の利用効率を高める方法は、ＳＤＭＡ（Ｓｐａｔｉａｌ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）と呼ばれることもある。
［通信システムの第３の例］
特定の周波数帯域における通信容量を増やす為に、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｉｎｐｕｔ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ）と呼ばれる方法を適用することもできる。ＭＩＭＯにおいては、複数の送信アンテナおよび複数の受信アンテナが使用される。複数の送信アンテナの各々から電波が放射される。ある一例において、放射される電波には、それぞれ異なる信号を重畳させることができる。複数の受信アンテナの各々は、送信された複数の電波を何れも受信する。しかし、異なる受信アンテナは、異なる経路を通って到達する電波を受信するため、受信する電波の位相に差異が生じる。この差異を利用することにより、複数の電波に含まれていた複数の信号を受信機の側で分離することが可能である。
本開示に係る導波路装置およびアンテナ装置は、ＭＩＭＯを利用する通信システムにおいても用いることができる。以下、そのような通信システムの例を説明する。
図４４は、ＭＩＭＯ機能を実装した通信システム８００Ｃの例を示すブロック図である。この通信システム８００Ｃにおいて、送信機８３０は、符号化器８３２と、ＴＸ−ＭＩＭＯプロセッサ８３３と、２つの送信アンテナ８３５１、８３５２とを備える。受信機８４０は、２つの受信アンテナ８４５１、８４５２と、ＲＸ−ＭＩＭＯプロセッサ８４３と、復号化器８４２とを備える。なお、送信アンテナおよび受信アンテナのそれぞれの個数は、２つより多くてもよい。ここでは、説明を簡単にするため、各アンテナが２つの例を取り上げる。一般には、送信アンテナと受信アンテナの内の少ない方の個数に比例して、ＭＩＭＯ通信システムの通信容量は増大する。
データ信号源８３１から信号を受け取った送信機８３０は、符号化器８３２によって信号を送信のために符号化する。符号化された信号は、ＴＸ−ＭＩＭＯプロセッサ８３３によって、２つの送信アンテナ８３５１、８３５２に分配される。
ＭＩＭＯ方式のある一例における処理方法においては、ＴＸ−ＭＩＭＯプロセッサ８３３は、符号化された信号の列を、送信アンテナ８３５２の数と同じ数である２つに分割し、並列に送信アンテナ８３５１、８３５２に送る。送信アンテナ８３５１、８３５２は、分割された複数の信号列の情報を含む電波をそれぞれ放射する。送信アンテナがＮ個である場合は、信号列はＮ個に分割される。放射された電波は、２つの受信アンテナ８４５１、８４５２の両方で同時に受信される。すなわち、受信アンテナ８４５１、８４５２の各々で受信された電波には、送信時に分割された２つの信号が混ざって含まれている。この混ざった信号の分離は、ＲＸ−ＭＩＭＯプロセッサ８４３によって行われる。
混ざった２つの信号は、例えば電波の位相差に着目すれば分離することができる。送信アンテナ８３５１から到達した電波を受信アンテナ８４５１、８４５２が受信した場合の２つの電波の位相差と、送信アンテナ８３５２から到達した電波を受信アンテナ８４５１、８４５２が受信した場合の２つの電波の位相差と異なる。すなわち、送受信の経路によって、受信アンテナ間での位相差は異なる。また、送信アンテナと受信アンテナの空間的な配置関係が変化しなければ、それらの位相差は不変である。そこで、２つの受信アンテナで受信された受信信号を、送受信経路によって定まる位相差だけずらして相関をとることにより、その送受信経路を通って受信された信号を抽出することができる。ＲＸ−ＭＩＭＯプロセッサ８４３は、例えばこの方法により、受信信号から２つの信号列を分離し、分割される前の信号列を回復する。回復された信号列は、まだ符号化された状態にあるので、復号化器８４２に送られて、そこで元の信号に復元される。復元された信号は、データシンク８４１に送られる。
この例におけるＭＩＭＯ通信システム８００Ｃは、デジタル信号を送受信するが、アナログ信号を送受信するＭＩＭＯ通信システムも実現可能である。その場合は、図４４の構成に、図４２を参照して説明した、アナログ／デジタルコンバータと、デジタル／アナログコンバータとが追加される。なお、異なる送信アンテナからの信号を見分けるために利用される情報は、位相差の情報に限られない。一般に、送信アンテナと受信アンテナとの組合せが異なると、受信された電波は、位相以外にも、散乱またはフェージング等の状況が異なり得る。これらは総称してＣＳＩ（Ｃｈａｎｎｅｌ Ｓｔａｔｅ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ） と呼ばれる。ＣＳＩは、ＭＩＭＯを利用するシステムにおいて、異なる送受信経路を見分けるために利用される。
なお、複数の送信アンテナが、各々独立の信号を含んだ送信波を放射することは、必須の条件ではない。受信アンテナの側で分離できるのであれば、複数の信号を含んだ電波を、各送信アンテナが放射する構成でもよい。また、送信アンテナの側でビームフォーミングを行って、各送信アンテナからの電波の合成波として、単一の信号を含んだ送信波が受信アンテナの側で形成されるように構成することも可能である。この場合も、各送信アンテナは、複数の信号を含む電波を放射する構成となる。
この第３の例においても、第１および第２の例と同様、信号の符号化の方法として、ＣＤＭ、ＦＤＭ、ＴＤＭ、ＯＦＤＭ等の種々の方法を用いることができる。
通信システムにおいて、信号を処理するための集積回路（信号処理回路または通信回路と称する）を搭載する回路基板は、本開示の実施形態における導波路装置およびアンテナ装置に積層して配置することができる。本開示の実施形態における導波路装置およびアンテナ装置は、板形状の導電部材が積層された構造を持つため、回路基板をそれらの上に積み重ねる配置にすることは容易である。このような配置にすることで、中空導波管などを用いた場合に比して、容積が小さい送信機および受信機を実現できる。
以上で説明した、通信システムの第１から第３の例において、送信機または受信機の構成要素である、アナログ／デジタルコンバータ、デジタル／アナログコンバータ、符号化器、復号化器、変調器、復調器、ＴＸ−ＭＩＭＯプロセッサ、ＲＸ−ＭＩＭＯプロセッサ等は、図４２、図４３、および図４４においては独立した１つの要素として表されているが、必ずしも独立している必要はない。例えば、これらの要素の全てを、１つの集積回路で実現してもよい。あるいは、一部の要素のみを纏めて、１つの集積回路で実現してもよい。いずれの場合も、本開示で説明した機能を実現している限り、本発明を実施しているといえる。
以上のように、本開示は、以下の項目に記載のスロットアンテナ装置、レーダ、レーダシステム、および通信システムを含む。
［項目１］
正面側の第１導電性表面および背面側の第２導電性表面を有し、前記第１導電性表面から前記第２導電性表面まで貫通する少なくとも１つのスロットを備える第１導電部材と、
前記第１導電部材の背面側に位置し、前記第２導電性表面に対向する正面側の第３導電性表面を有する第２導電部材と、
前記第１導電部材の前記第２導電性表面上にあるリッジ状の導波部材であって、前記第３導電性表面に対向する導電性の導波面を有し、前記第３導電性表面に沿って延びる導波部材と、
前記導波部材の両側に位置し、前記第２導電性表面および前記第３導電性表面の少なくとも一方にある人工磁気導体と、
を備え、
前記第３導電性表面、前記導波面、および前記人工磁気導体は、前記第３導電性表面と前記導波面との間隙に導波路を規定し、
前記導波部材は、第１リッジおよび第２リッジを有し、
前記第１リッジの一端と前記第２リッジの一端とは対向し、
前記導波面に垂直な方向から見て、前記少なくとも１つのスロットは、前記第１リッジの前記一端と前記第２リッジの前記一端との間に位置し、
前記少なくとも１つのスロットは、前記第１導電性表面の側において外部空間に向けて開放され、
前記導波面と前記第３導電性表面との間隔、および前記導波面の幅の少なくとも一方は、前記導波部材が延びる方向に沿って変動している、
スロットアンテナ装置。
［項目２］
前記第２導電部材および前記導波部材の少なくとも一方は、隣り合う部位よりも前記第３導電性表面と前記導波面との間隔を広げる少なくとも１つの凹部、または隣り合う部位よりも前記第３導電性表面と前記導波面との間隔を狭める少なくとも１つの凸部を有する、
項目１に記載のスロットアンテナ装置。
［項目３］
前記導波部材は、隣り合う部位よりも前記導波面の幅を広げる少なくとも１つの幅広部、または隣り合う部位よりも前記導波面の幅を狭める少なくとも１つの狭小部を有する、項目１または２に記載のスロットアンテナ装置。
［項目４］
前記第２導電部材および前記導波部材の少なくとも一方は、隣り合う部位よりも前記第３導電性表面と前記導波面との間隔を広げる複数の凹部を有し、
前記複数の凹部は、前記導波部材が延びる方向に隣り合って順に並ぶ第１の凹部、第２の凹部、および第３の凹部を含み、
前記第１の凹部と前記第２の凹部との中心間距離は、前記第２の凹部と前記第３の凹部との中心間距離とは異なっている、
項目１から３のいずれかに記載のスロットアンテナ装置。
［項目５］
前記第２導電部材および前記導波部材の少なくとも一方は、隣り合う部位よりも前記第３導電性表面と前記導波面との間隔を狭める複数の凸部を有し、
前記複数の凸部は、前記導波部材が延びる方向に隣り合って順に並ぶ第１の凸部、第２の凸部、および第３の凸部を含み、
前記第１の凸部と前記第２の凸部との中心間距離は、前記第２の凸部と前記第３の凸部との中心間距離とは異なっている、
項目１から３のいずれかに記載のスロットアンテナ装置。
［項目６］
前記導波部材は、隣り合う部位よりも前記導波面の幅を広げる複数の幅広部を有し、
前記複数の幅広部は、前記導波部材が延びる方向に隣り合って順に並ぶ第１の幅広部、第２の幅広部、および第３の幅広部を含み、
前記第１の幅広部と前記第２の幅広部との中心間距離は、前記第２の幅広部と前記第３の幅広部との中心間距離とは異なっている、
項目１から３のいずれかに記載のスロットアンテナ装置。
［項目７］
前記導波部材は、隣り合う部位よりも前記導波面の幅を狭める複数の狭小部を有し、
前記複数の狭小部は、前記導波部材が延びる方向に隣り合って順に並ぶ第１の狭小部、第２の狭小部、および第３の狭小部を含み、
前記第１の狭小部と前記第２の狭小部との中心間距離は、前記第２の狭小部と前記第３の狭小部との中心間距離とは異なっている、
項目１から３のいずれかに記載のスロットアンテナ装置。
［項目８］
前記第３導電性表面および前記導波面の間の導波路は、前記導波路のキャパシタンスが極大または極小を示す複数の箇所を含み、
前記複数の箇所は、前記導波部材が延びる方向に隣り合って順に並ぶ第１の箇所、第２の箇所、および第３の箇所を含み、
前記第１の箇所と前記第２の箇所との中心間距離は、前記第２の箇所と前記第３の箇所との中心間距離とは異なっている、
項目１から３のいずれかに記載のスロットアンテナ装置。
［項目９］
前記第３導電性表面および前記導波面の間の導波路は、前記導波路のインダクタンスが極大または極小を示す複数の箇所を含み、
前記複数の箇所は、前記導波部材が延びる方向に隣り合って順に並ぶ第１の箇所、第２の箇所、および第３の箇所を含み、
前記第１の箇所と前記第２の箇所との中心間距離は、前記第２の箇所と前記第３の箇所との中心間距離とは異なっている、
項目１から３のいずれかに記載のスロットアンテナ装置。
［項目１０］
前記第１導電部材は、前記少なくとも１つのスロットを含む複数のスロットであって、前記導波部材が延びる方向に沿って並ぶ複数のスロットを有し、
前記導波部材は、前記第１リッジおよび前記第２リッジを含む複数のリッジを有し、
前記導波面に垂直な方向から見て、前記複数のスロットの各々は、前記複数のリッジのうちの隣り合う２つのリッジの対向する端部間に位置し、
前記複数のスロットの各々は、前記第１導電性表面の側において外部空間に向けて開放されている、
項目１から９のいずれかに記載のスロットアンテナ装置。
［項目１１］
前記第３導電性表面と前記導波面との間隔、および前記導波面の幅の少なくとも一方は、前記導波部材が延びる方向に沿って、前記複数のスロットのうちの隣り合う２つのスロットの中心間距離の１／２以上の周期で変動している、
項目１０に記載のスロットアンテナ装置。
［項目１２］
前記スロットアンテナ装置は、自由空間中の中心波長がλｏの帯域の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられ、
前記導波面の幅は、λｏ未満であり、
前記第３導電性表面と前記導波面との間隔、および前記導波面の幅の少なくとも一方は、前記導波部材が延びる方向に沿って、１．１５λｏ／４よりも長い周期で変動している、
項目１０に記載のスロットアンテナ装置。
［項目１３］
前記スロットアンテナ装置は、自由空間中の中心波長がλｏの帯域の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられ、
前記導波面の幅は、λｏ未満であり、
前記第２導電部材および前記導波部材の少なくとも一方は、前記第３導電性表面と前記導波面との間隔、および前記導波面の幅の少なくとも一方を、隣り合う部位から変化させる複数の付加要素を有し、
前記複数の付加要素が存在しない場合に、波長λｏの電磁波が、前記導電部材と前記導波部材との間の導波路を伝搬する際の波長をλRとするとき、
前記第３導電性表面と前記導波面との間隔、および前記導波面の幅の少なくとも一方は、前記導波部材が延びる方向に沿って、λR／４よりも長い周期で変動している、
項目１０に記載のスロットアンテナ装置。
［項目１４］
前記第３導電性表面と前記導波面との間の導波路におけるキャパシタンスおよびインダクタンスの少なくとも一方は、前記導波部材が延びる方向に沿って、前記複数のスロットのうちの隣り合う２つのスロットの中心間距離の１／２以上の周期で変動している、
項目１０に記載のスロットアンテナ装置。
［項目１５］
前記第３導電性表面と前記導波面との間隔は、前記導波部材が延びる方向に沿って変動しており、
前記第３導電性表面と前記導波面との間の導波路は、前記第３導電性表面と前記導波面との間隔が異なる少なくとも３つの箇所を有する、
項目１から１４のいずれかに記載のスロットアンテナ装置。
［項目１６］
前記導波面の幅は、前記導波部材が延びる方向に沿って変動しており、
前記導波面は、前記幅が異なる少なくとも３つの箇所を有する、
項目１から１５のいずれかに記載のスロットアンテナ装置。
［項目１７］
前記第１リッジおよび前記第２リッジは、互いに対向する端面をそれぞれ有し、
前記第１リッジおよび前記第２リッジの各々の前記端面は、前記少なくとも１つのスロットの内壁面に段差を有することなく繋がっている、
項目１から１６のいずれかに記載のスロットアンテナ装置。
［項目１８］
前記第１導電部材の前記第１導電性表面は、前記少なくとも１つのスロットに連通する少なくとも１つのホーンを規定する形状を有している、項目１から１７のいずれかに記載のスロットアンテナ装置。
［項目１９］
前記人工磁気導体は、前記第２導電性表面上の複数の導電性ロッドを備え、
前記複数の導電性ロッドの各々は、前記第３導電性表面に対向する先端部と、前記第２導電性表面に接続された基部とを有する、
項目１から１８のいずれかに記載のスロットアンテナ装置。
［項目２０］
前記導波部材を含み、前記第２導電性表面上にあるリッジ状の複数の導波部材を備え、
前記第１導電部材は、前記少なくとも１つのスロットを含む複数のスロットであって、前記導波部材が延びる方向に対して交差する方向に沿って並ぶ複数のスロットを有し、
前記複数の導波部材の各々は、複数のリッジを有し、前記複数のリッジのうちの隣り合う２つのリッジの端部は互いに対向し、
前記複数の導波部材の導波面に垂直な方向から見て、前記複数のスロットの各々は、前記複数のリッジのうちの隣り合う２つのリッジの前記端部の間に位置し、
前記複数のスロットの各々は、前記第１導電性表面の側において外部空間に向けて開放されている、
項目１から１９のいずれかに記載のスロットアンテナ装置。
［項目２１］
項目１から２０のいずれかに記載のスロットアンテナ装置と、
前記スロットアンテナ装置に接続されたマイクロ波集積回路と、
を備えるレーダ装置。
［項目２２］
項目２１に記載のレーダ装置と、
前記レーダの前記マイクロ波集積回路に接続された信号処理回路と、
を備えるレーダシステム。
［項目２３］
項目１から２０のいずれかに記載のスロットアンテナ装置と、
前記アンテナ装置に接続された通信回路と、
を備える無線通信システム。
本開示のスロットアンテナ装置は、アンテナを利用するあらゆる技術分野において利用可能である。例えばギガヘルツ帯域またはテラヘルツ帯域の電磁波の送受信を行う各種の用途に利用され得る。特に小型化が求められる車載レーダシステム、各種の監視システム、屋内測位システム、および無線通信システムなどに用いられ得る。
１００ 導波路装置
１１０ 第１導電部材
１１０ａ 第２導電性表面
１１０ｂ 第１導電性表面
１１１、１１２ スロット
１１４ ホーンの側壁
１２０ 第２導電部材
１２０ａ 第３導電性表面
１２０ｂ 第４導電性表面
１２２ 導波部材
１２２ａ 導波面
１２４ 導電性ロッド
１２４ａ 導電性ロッドの先端部
１２４ｂ 導電性ロッドの基部
１２５ 人工磁気導体の表面
１３０ 中空導波管
１３２ 中空導波管の内部空間
１４０ 第３導電部材
１４０ａ 第５導電性表面
１４５ ポート
１５０ チョーク構造
１６０ 他の導電部材
１７０ 導電性ロッド
１８０ キャビティ
２００ スロットアレーアンテナ
３００ スロットアンテナ装置
５００ 自車両
５０２ 先行車両
５１０ 車載レーダシステム
５２０ 走行支援電子制御装置
５３０ レーダ信号処理装置
５４０ 通信デバイス
５５０ コンピュータ
５５２ データベース
５６０ 信号処理回路
５７０ 物体検知装置
５８０ 送受信回路
５９６ 選択回路
６００ 車両走行制御装置
７００ 車載カメラシステム
７１０ カメラ
７２０ 画像処理回路
８００Ａ、８００Ｂ、８００Ｃ 通信システム
８１０Ａ、８１０Ｂ、８３０ 送信機
８２０Ａ、８４０ 受信機
８１３、８３２ 符号化器
８２３、８４２ 復号化器
８１４ 変調器
８２４ 復調器
１０１０、１０２０ センサ部
１０１１、１０２１ アンテナ
１０１２、１０２２ ミリ波レーダ検出部
１０１３、１０２３ 通信部
１０１５、１０２５ 監視対象
１１００ 本体部
１１０１ 処理部
１１０２ データ蓄積部
１１０３ 通信部
１２００ 他のシステム
１３００ 通信回線
１５００ 監視システム

Claims (21)

  1. 正面側の第１導電性表面および背面側の第２導電性表面を有し、前記第１導電性表面から前記第２導電性表面まで貫通する少なくとも１つのスロットを備える第１導電部材と、
    前記第１導電部材の背面側に位置し、前記第２導電性表面に対向する正面側の第３導電性表面を有する第２導電部材と、
    前記第１導電部材の前記第２導電性表面上にあるリッジ状の導波部材であって、前記第３導電性表面に対向する導電性の導波面を有し、前記第３導電性表面に沿って延びる導波部材と、
    前記導波部材の両側に位置し、前記第２導電性表面および前記第３導電性表面の少なくとも一方にある人工磁気導体と、
    を備え、
    前記第３導電性表面、前記導波面、および前記人工磁気導体は、前記第３導電性表面と前記導波面との間隙に導波路を規定し、
    前記導波部材は、第１リッジおよび第２リッジを有し、
    前記第１リッジの一端と前記第２リッジの一端とは対向し、
    前記導波面に垂直な方向から見て、前記少なくとも１つのスロットは、前記第１リッジの前記一端と前記第２リッジの前記一端との間に位置し、
    前記少なくとも１つのスロットは、前記第１導電性表面の側において外部空間に向けて開放され、
    前記導波面と前記第３導電性表面との間隔、および前記導波面の幅の少なくとも一方は、前記導波部材が延びる方向に沿って変動している、
    スロットアンテナ装置。
  2. 前記第２導電部材および前記導波部材の少なくとも一方は、隣り合う部位よりも前記第３導電性表面と前記導波面との間隔を広げる少なくとも１つの凹部、または隣り合う部位よりも前記第３導電性表面と前記導波面との間隔を狭める少なくとも１つの凸部を有する、
    請求項１に記載のスロットアンテナ装置。
  3. 前記導波部材は、隣り合う部位よりも前記導波面の幅を広げる少なくとも１つの幅広部、または隣り合う部位よりも前記導波面の幅を狭める少なくとも１つの狭小部を有する、請求項１または２に記載のスロットアンテナ装置。
  4. 前記第２導電部材および前記導波部材の少なくとも一方は、隣り合う部位よりも前記第３導電性表面と前記導波面との間隔を広げる複数の凹部を有し、
    前記複数の凹部は、前記導波部材が延びる方向に隣り合って順に並ぶ第１の凹部、第２の凹部、および第３の凹部を含み、
    前記第１の凹部と前記第２の凹部との中心間距離は、前記第２の凹部と前記第３の凹部との中心間距離とは異なっている、
    請求項１から３のいずれかに記載のスロットアンテナ装置。
  5. 前記第２導電部材および前記導波部材の少なくとも一方は、隣り合う部位よりも前記第３導電性表面と前記導波面との間隔を狭める複数の凸部を有し、
    前記複数の凸部は、前記導波部材が延びる方向に隣り合って順に並ぶ第１の凸部、第２の凸部、および第３の凸部を含み、
    前記第１の凸部と前記第２の凸部との中心間距離は、前記第２の凸部と前記第３の凸部との中心間距離とは異なっている、
    請求項１から３のいずれかに記載のスロットアンテナ装置。
  6. 前記導波部材は、隣り合う部位よりも前記導波面の幅を広げる複数の幅広部を有し、
    前記複数の幅広部は、前記導波部材が延びる方向に隣り合って順に並ぶ第１の幅広部、第２の幅広部、および第３の幅広部を含み、
    前記第１の幅広部と前記第２の幅広部との中心間距離は、前記第２の幅広部と前記第３の幅広部との中心間距離とは異なっている、
    請求項１から３のいずれかに記載のスロットアンテナ装置。
  7. 前記導波部材は、隣り合う部位よりも前記導波面の幅を狭める複数の狭小部を有し、
    前記複数の狭小部は、前記導波部材が延びる方向に隣り合って順に並ぶ第１の狭小部、第２の狭小部、および第３の狭小部を含み、
    前記第１の狭小部と前記第２の狭小部との中心間距離は、前記第２の狭小部と前記第３の狭小部との中心間距離とは異なっている、
    請求項１から３のいずれかに記載のスロットアンテナ装置。
  8. 前記第３導電性表面および前記導波面の間の導波路は、前記導波路のキャパシタンスが極大または極小を示す複数の箇所を含み、
    前記複数の箇所は、前記導波部材が延びる方向に隣り合って順に並ぶ第１の箇所、第２の箇所、および第３の箇所を含み、
    前記第１の箇所と前記第２の箇所との中心間距離は、前記第２の箇所と前記第３の箇所との中心間距離とは異なっている、
    請求項１から３のいずれかに記載のスロットアンテナ装置。
  9. 前記第３導電性表面および前記導波面の間の導波路は、前記導波路のインダクタンスが極大または極小を示す複数の箇所を含み、
    前記複数の箇所は、前記導波部材が延びる方向に隣り合って順に並ぶ第１の箇所、第２の箇所、および第３の箇所を含み、
    前記第１の箇所と前記第２の箇所との中心間距離は、前記第２の箇所と前記第３の箇所との中心間距離とは異なっている、
    請求項１から３のいずれかに記載のスロットアンテナ装置。
  10. 前記第１導電部材は、前記少なくとも１つのスロットを含む複数のスロットであって、前記導波部材が延びる方向に沿って並ぶ複数のスロットを有し、
    前記導波部材は、前記第１リッジおよび前記第２リッジを含む複数のリッジを有し、
    前記導波面に垂直な方向から見て、前記複数のスロットの各々は、前記複数のリッジのうちの隣り合う２つのリッジの対向する端部間に位置し、
    前記複数のスロットの各々は、前記第１導電性表面の側において外部空間に向けて開放されている、
    請求項１から９のいずれかに記載のスロットアンテナ装置。
  11. 前記第３導電性表面と前記導波面との間隔、および前記導波面の幅の少なくとも一方は、前記導波部材が延びる方向に沿って、前記複数のスロットのうちの隣り合う２つのスロットの中心間距離の１／２以上の周期で変動している、
    請求項１０に記載のスロットアンテナ装置。
  12. 前記スロットアンテナ装置は、自由空間中の中心波長がλｏの帯域の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられ、
    前記導波面の幅は、λｏ未満であり、
    前記第３導電性表面と前記導波面との間隔、および前記導波面の幅の少なくとも一方は、前記導波部材が延びる方向に沿って、１．１５λｏ／４よりも長い周期で変動している、
    請求項１０に記載のスロットアンテナ装置。
  13. 前記スロットアンテナ装置は、自由空間中の中心波長がλｏの帯域の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられ、
    前記導波面の幅は、λｏ未満であり、
    前記第２導電部材および前記導波部材の少なくとも一方は、前記第３導電性表面と前記導波面との間隔、および前記導波面の幅の少なくとも一方を、隣り合う部位から変化させる複数の付加要素を有し、
    前記複数の付加要素が存在しない場合に、波長λｏの電磁波が、前記導電部材と前記導波部材との間の導波路を伝搬する際の波長をλRとするとき、
    前記第３導電性表面と前記導波面との間隔、および前記導波面の幅の少なくとも一方は、前記導波部材が延びる方向に沿って、λR／４よりも長い周期で変動している、
    請求項１０に記載のスロットアンテナ装置。
  14. 前記第３導電性表面と前記導波面との間の導波路におけるキャパシタンスおよびインダクタンスの少なくとも一方は、前記導波部材が延びる方向に沿って、前記複数のスロットのうちの隣り合う２つのスロットの中心間距離の１／２以上の周期で変動している、
    請求項１０に記載のスロットアンテナ装置。
  15. 前記第３導電性表面と前記導波面との間隔は、前記導波部材が延びる方向に沿って変動しており、
    前記第３導電性表面と前記導波面との間の導波路は、前記第３導電性表面と前記導波面との間隔が異なる少なくとも３つの箇所を有する、
    請求項１から１４のいずれかに記載のスロットアンテナ装置。
  16. 前記導波面の幅は、前記導波部材が延びる方向に沿って変動しており、
    前記導波面は、前記幅が異なる少なくとも３つの箇所を有する、
    請求項１から１５のいずれかに記載のスロットアンテナ装置。
  17. 前記第１リッジおよび前記第２リッジは、互いに対向する端面をそれぞれ有し、
    前記第１リッジおよび前記第２リッジの各々の前記端面は、前記少なくとも１つのスロットの内壁面に段差を有することなく繋がっている、
    請求項１から１６のいずれかに記載のスロットアンテナ装置。
  18. 前記第１導電部材の前記第１導電性表面は、前記少なくとも１つのスロットに連通する少なくとも１つのホーンを規定する形状を有している、請求項１から１７のいずれかに記載のスロットアンテナ装置。
  19. 前記人工磁気導体は、前記第２導電性表面上の複数の導電性ロッドを備え、
    前記複数の導電性ロッドの各々は、前記第３導電性表面に対向する先端部と、前記第２導電性表面に接続された基部とを有する、
    請求項１から１８のいずれかに記載のスロットアンテナ装置。
  20. 前記導波部材を含み、前記第２導電性表面上にあるリッジ状の複数の導波部材を備え、
    前記第１導電部材は、前記少なくとも１つのスロットを含む複数のスロットであって、前記導波部材が延びる方向に対して交差する方向に沿って並ぶ複数のスロットを有し、
    前記複数の導波部材の各々は、複数のリッジを有し、前記複数のリッジのうちの隣り合う２つのリッジの端部は互いに対向し、
    前記複数の導波部材の導波面に垂直な方向から見て、前記複数のスロットの各々は、前記複数のリッジのうちの隣り合う２つのリッジの前記端部の間に位置し、
    前記複数のスロットの各々は、前記第１導電性表面の側において外部空間に向けて開放されている、
    請求項１から１９のいずれかに記載のスロットアンテナ装置。
  21. 請求項１から２０のいずれかに記載のスロットアンテナ装置と、
    前記スロットアンテナ装置に接続されたマイクロ波集積回路と、
    を備えるレーダ装置。
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