JP2022112497A - 同期化された高周波チップを備えたｍｉｍｏレーダセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】チップ間の位相偏移をセンサ使用中に測定可能なＭＩＭＯレーダセンサを提供する。【解決手段】所定の方向（ｘ）に相互にずれている送信／受信アンテナ素子（ＴＸ、ＲＸ）のアレイと、送信／受信アンテナ素子の異なる選択に割り当てられた少なくとも２つの電子チップＣ１、Ｃ２とを備えたＭＩＭＯレーダセンサであって、少なくとも１つの受信アンテナ素子Ｒ０が両方のチップＣ１、Ｃ２と接続可能であり、アレイがアンテナ素子コンフィグレーションを有し、コンフィグレーションが、チップＣ１が割り当てられた送信アンテナ素子Ｔ１と、チップＣ１が割り当てられた受信アンテナ素子Ｒ１と、チップＣ２が割り当てられた送信アンテナ素子Ｔ２と、チップＣ２が割り当てられた受信アンテナ素子Ｒ２とからなり、コンフィグレーションでは、送信アンテナ素子Ｔ１とＴ２との間のずれが受信アンテナ素子Ｒ１とＲ２との間のずれと一致する、ＭＩＭＯレーダセンサ。【選択図】図１

Description

本発明は、所定の方向に相互にずれている送信および受信アンテナ素子のアレイと、送信および受信アンテナ素子の異なる選択に割り当てられている少なくとも２つの電子チップＣ１およびＣ２とを備えたＭＩＭＯレーダセンサに関する。

本発明はとりわけ自動車用のレーダセンサを取り扱う。

自動車用の運転者支援システムにおける周辺環境監視では、測位されたレーダ目標の間隔および相対速度と共に、これらの目標の方位角および仰角も重要である。例えば方位角についての情報は、オブジェクトを車道の特定の車線に割り当て得るために必要とされる。仰角についての情報は、オブジェクトがその上もしくは下を走行可能であるかどうかまたは重要な障害物であるかどうかの推定を可能にする。これらの目標の方位角および仰角は、受信アンテナ素子の信号の振幅および／または位相の違いから確定され得る。ＭＩＭＯ原理（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）に基づき、受信アンテナ素子は、例えば時分割多重または周波数分割多重において、様々な送信アンテナ素子と組み合わされる。各組合せが１つの仮想アンテナ素子に相当し、この仮想アンテナ素子の、別の１つの仮想アンテナ素子に対するずれは、関与する受信アンテナ素子および関与する送信アンテナ素子のずれからの足し算から構築されている。仮想アレイは、現実のアレイより大きなアパーチャを有することができ、よってより高い角度分解能を可能にする。

アレイが、非常に大きな数の送信および受信アンテナ素子を有する場合、相応なより大きい仮想アレイを生成でき、かつ相応なより高い角度分解能が達成され得る。ただしこの場合、多数の送信アンテナ素子内への送信信号の供給および数多くの受信アンテナ素子の受信信号の評価は、ただ１つの組み込まれた電子部品だけではもう片づけられない。この場合、レーダセンサの高周波部は、複数の組み込まれたモジュール、例えばここでは簡単に「チップ」と呼ぶＭＭＩＣ（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）を有さなければならない。理想的な場合には、これらのチップが完璧に同期して働くのが望ましく、したがって受信信号間の位相差は、専らレーダ信号の異なる伝播時間によって、かつそれにより測定すべき角度によって決定されており、様々なチップ間での位相差に依存することはない。しかしながら実際には、例えば製造公差に基づいて、それにまたチップごとの温度差に基づいておよび／または異なる経過をたどる老朽化プロセスに基づいて、様々なチップ間で位相差が発生し得る。これによりこれらの位相差は一般的には経時的に一定ではなく、よってチップの１回の較正によって取り除くことはできない。

ＷＯ２０１９／１７０２７７Ａ１では、複数のＭＭＩＣ間での位相のオンライン較正方法が説明され、この方法では、チップの温度が温度センサによって測定され、その後、チップの温度依存性のモデルに基づく位相が補正される。

ＤＥ１０２０１４２０８８９９Ａ１は、レーダ測定データおよび測定されたアンテナ放射パターンの相違に基づくオンライン較正方法を説明する。
Ｃ．Ｓｃｈｍｉｄら、「Ｍｏｔｉｏｎ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ａｒｒａｙ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ＴＤＭＡ ＦＭＣＷ ＭＩＭＯ Ｒａｄａｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＴＤＭＡ ＦＭＣＷ ＭＩＭＯレーダシステムのためのモーション補正と効率的なアレイ設計）」、６ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ（ＥＵＣＡＰ）、２０１２年３月、１７４６～１７５０頁は、重なり合う仮想チャネルを有するアンテナ構成を説明し、この構成は、１つの同じＭＭＩＣの２つの送信アンテナ間の位相ずれを、測定された相対速度に基づいて補正することを可能にする。

ＷＯ２０１９／１７０２７７Ａ１ ＤＥ１０２０１４２０８８９９Ａ１

Ｃ．Ｓｃｈｍｉｄら、「Ｍｏｔｉｏｎ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ａｒｒａｙ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ＴＤＭＡ ＦＭＣＷ ＭＩＭＯ Ｒａｄａｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＴＤＭＡ ＦＭＣＷ ＭＩＭＯレーダシステムのためのモーション補正と効率的なアレイ設計）」、６ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ（ＥＵＣＡＰ）、２０１２年３月、１７４６～１７５０頁

本発明の課題は、チップ間の位相偏移をレーダセンサの使用中に直接的に測定可能なＭＩＭＯレーダセンサを提供することである。

この課題は、本発明によれば、少なくとも１つの受信アンテナ素子Ｒ０が両方のチップＣ１およびＣ２と接続可能であること、ならびにアレイが、少なくとも１つのアンテナ素子コンフィグレーションを有し、コンフィグレーションが、チップＣ１が割り当てられている送信アンテナ素子Ｔ１と、チップＣ１が割り当てられている受信アンテナ素子Ｒ１と、チップＣ２が割り当てられている送信アンテナ素子Ｔ２と、チップＣ２が割り当てられている受信アンテナ素子Ｒ２とからなり、かつコンフィグレーションでは、送信アンテナ素子Ｔ１とＴ２との間のずれが、受信アンテナ素子Ｒ１とＲ２との間のずれと一致することによって解決される。

チップが送信または受信アンテナ素子に「割り当てられ」ているという記述は、ここでは、送信アンテナ素子がチップによって供給されるように、またはチップが受信アンテナ素子の受信信号を処理するように、レーダセンサを動作させることを意味する。チップ間の位相差は、送信チャネル部分ＤＥＬＴＡ＿ＴＸおよび受信チャネル部分ＤＥＬＴＡ＿ＲＸから構築される。この両方の部分は、当該の仮想アンテナ素子に関してチップがまさに送信するのか、受信するのか、または送信および受信するのかに依存したチップ内での異なる信号経路に基づいて生じる。

本発明によれば、少なくとも１つのアンテナ素子Ｒ０は両方のチップＣ１およびＣ２と接続可能なので、チップの１つ、例えばチップＣ１だけが送信する状態では、両方のチップ内で得られた受信信号の位相を相互に比較することにより、受信チャネル部分ＤＥＬＴＡ＿ＲＸが測定され得る。両方の信号に関して送信チャネル部分は同じなので、測定された位相差は受信チャネル部分ＤＥＬＴＡ＿ＲＸのはずである。

送信アンテナ素子Ｔ１とＴ２との間のずれは受信アンテナ素子Ｒ１とＲ２との間のずれと一致するので、４つのアンテナ素子Ｔ１、Ｒ１、Ｔ２、Ｒ２のコンフィグレーションは、送信アンテナ素子Ｔ１と受信アンテナ素子Ｒ２との組合せが、送信アンテナ素子Ｔ２と受信アンテナ素子Ｒ１との組合せと同じ仮想アンテナ素子を生じさせるという点で冗長である。よってチップごとの位相差がない場合、目標の測位角度には依存せず、両方の組合せで同じ位相が得られるはずである。ここで、これらの両方の組合せで実際に測定される位相を相互に比較すると、チップ間の総位相差ＤＥＬＴＡ＿ＴＸ＋ＤＥＬＴＡ＿ＲＸが得られる。これにより、受信チャネル部分ＤＥＬＴＡ＿ＲＸも、両方の部分の合計も既知であるので、送信チャネル部分ＤＥＬＴＡ＿ＴＸも計算される。その後、これらの既知である部分ＤＥＬＴＡ＿ＲＸおよびＤＥＬＴＡ＿ＴＸを用いて、各仮想アンテナ素子のために、つまり送信および受信アンテナ素子の各組合せのために、その組合せにおいて両方のチップのどちらが送信して、どちらのチップが受信された信号を処理するかには依存せず、位相差が補正される。

以下に、１つの例示的実施形態を図面に基づいてより詳しく解説する。

本発明によるＭＩＭＯレーダセンサのブロック図である。

図面は、簡略化した例として、２つの送信アンテナ素子ＴＸおよび７つの受信アンテナ素子ＲＸを具備するアンテナアレイを備えたＭＩＭＯレーダセンサ（ＦＭＣＷレーダ）を示す。受信アンテナ素子ＲＸは方向ｘにおいて、示した例ではそれぞれ同じ間隔で相互にずれている。方向ｘが水平方向の場合、（ある特定の間隔セルおよび速度セル内の）与えられたレーダ目標に関し、７つの受信アンテナ素子内で受信される信号の位相の比較により、レーダ目標の方位角が（ある程度の精度限界内で）測定され得る。方向ｘが鉛直方向の場合、相応な目標の仰角が測定され得る。

図１では、レーダセンサによって測位され得るレーダ目標Ｚが象徴的に示されている。実際には目標Ｚは、アンテナアレイの平面に対して図平面に垂直な方向にかなりの間隔を有している。例として、ここでは、レーダセンサが目標Ｚの方位角を測定し得るように方向ｘが水平方向であると仮定している。さらに、図面内で認識可能な、一方での送信アンテナ素子ＴＸと他方での受信アンテナ素子ＲＸとの間の鉛直方向のずれが、信号伝播長への影響を有さないように、目標が鉛直方向に広がっていると仮定している。これにより信号伝播長は、方向ｘでのアンテナ素子のずれによってのみ決定される。

両方の送信アンテナ素子ＴＸは、区別し易くするためにラベルＴ１またはＴ２で表されている。送信アンテナ素子Ｔ１が信号を送信し、上記信号が目標Ｚで反射され、その後、受信アンテナ素子ＲＸの１つによって受信される場合、信号伝播路のｘ成分は、方向ｘでの送信アンテナ素子Ｔ１と目標Ｚとの間隔および方向ｘでの目標Ｚと受信アンテナ素子ＲＸとの間隔からの合計に相応する。これに対し、レーダ信号が送信アンテナ素子Ｔ１ではなく送信アンテナ素子Ｔ２によって送信される場合、すべての信号伝播路が、同じ数値分、つまり送信アンテナ素子Ｔ１とＴ２との間隔分だけ減少する。

図面では、送信および受信アンテナ素子のすべての組合せのための異なる信号伝播路が、仮想アレイＶＸによって表される。最初の７つの仮想アンテナ素子Ｖ１～Ｖ７は、目標Ｚに対し、現実の受信アンテナ素子ＲＸと同じ間隔を有し、かつそれにより、信号が送信アンテナ素子Ｔ１によって送信される場合を表している。残りの仮想アンテナ素子では、目標Ｚに対する間隔が短くなっており、つまりＴ１とＴ２との間隔分だけ短くなっている。よってこれらの仮想アンテナ素子はＴ２で送信される場合に相当する。

ここで示されたアンテナアレイの特殊性は、送信アンテナ素子Ｔ１とＴ２とが互いに対し、受信アレイ内の最初の受信アンテナ素子Ｒ１と最後の受信アンテナ素子Ｒ２と同じ間隔を有することにある。これにより結果として、仮想アンテナ素子Ｖ７がここでは２つの異なるやり方で、つまり一つにはＴ１での送信およびＲ２での受信によって、もう一つにはＴ２での送信およびＲ１での受信によって合成され得ることになる。この「冗長」に基づき、仮想アンテナアレイＶＸは、２×７＝１４個の素子ではなく、最大で１３個、示された例では１２個の素子のみ有する。よって最後の仮想アンテナ素子Ｖ１２は、Ｔ２で送信され、かつ最後から２番目の受信アンテナ素子で受信される場合に相当する。

送信信号を生成し、かつ送信アンテナ素子Ｔ１およびＴ２内に送信信号を供給するために、ならびに受信アンテナ素子ＲＸ内で受信された信号を処理するために、この例では２つの別々のチップＣ１およびＣ２が設けられており、これらのチップは例えばＭＭＩＣであり得る。チップＣ１は、送信アンテナ素子Ｔ１に供給し、かつ第１の受信アンテナ素子Ｒ１で始まりここではＲ０で表された第４の受信アンテナ素子で終わる最初の４つの受信アンテナ素子の受信信号を処理する。チップＣ２は、送信アンテナ素子Ｔ２に供給し、かつ最後の４つの受信アンテナ素子Ｒ０～Ｒ２の受信信号を処理する。受信アンテナ素子Ｒ０の出力部は、電力分配器を介して両方のチップＣ１およびＣ２に接続されている（または少なくとも一時的に接続可能である）。

制御および評価機構Ｄは、チップＣ１およびＣ２の動作を制御し、かつ様々な受信チャネル内で受信された信号を評価する。送信アンテナ素子Ｔ１およびＴ２は交互にアクティブ化され、したがって時分割多重において全部で１２個の仮想アンテナ素子が測定され得る。ＦＭＣＷ原理に基づき、各アンテナ素子のために、受信された信号が中間周波数帯にダウンコンバートされ、デジタル化され、かつ１つの測定サイクル中ずっと時間信号として記録される。上記時間信号から高速フーリエ変換によってスペクトルが形成され、スペクトル内では、各々の測位された目標が、目標の間隔および相対速度に依存する周波数でのピークとして現れる。これらのデータに基づき、既知のやり方で、各々の測位された目標の間隔および相対速度が計算される。目標についての角度情報は、同じ測位された目標に関して様々な仮想アンテナ素子において得られる信号の複素振幅を比較することで得られる。このために、仮想アンテナ素子上への複素振幅の分布が、予め測定されて保存されたアンテナ放射パターンと比較される。

チップＣ１およびＣ２の各々で、送信部内でも受信部内でもある程度の位相遅延が発生する。これらの信号遅延はチップごとに異なる可能性があり、例えばチップの温度に依存して変化し得るので、両方のチップ間で位相差が生じ、この位相差は、アンテナ放射パターンと比較する前に計算によって補正されなければならない。このために、両方のチップ間の位相差を時々測定する必要がある。

この測定は、仮想アンテナ素子Ｖ７が、各測定サイクル内で２回、つまり１回はアンテナ組合せＴ１，Ｒ２で、および１回はアンテナ組合せＴ２，Ｒ１で測定されることによって可能になる。これらの両方の測定の際に得られた信号を比較すると総位相差ＤＤが得られ、総位相差ＤＤは、測位された目標の角度情報には依存せず、かつ４つの部分から構成されている。すなわち、
ＤＤ＝ＤＴ１＋ＤＲ２－ＤＴ２－ＤＲ１＝ＤＥＬＴＡ＿ＲＸ＋ＤＥＬＴＡ＿ＴＸ （１）
式中、ＤＴ１は、チップＣ１の送信部内の信号遅延に起因する部分であり、ＤＲ２は、チップＣ２の受信部内の信号遅延に起因する部分であり、ＤＴ２は、チップＣ２の送信部内の信号遅延に起因する部分であり、かつＤＲ１は、チップＣ１の受信部内の信号遅延に起因する部分である。最初の２つの被加数は、Ｔ１およびＲ２で測定される場合の総信号遅延を決定し、ほかの２つの被加数は、Ｔ２およびＲ１で測定される場合の総信号遅延に相当する。

仮想アンテナ素子Ｖ４は、組合せＴ１，Ｒ０に相当する。受信アンテナ素子Ｒ０は両方のチップに接続されているので、このアンテナ素子に対しては２つの信号が得られ、両方のチップの各々からそれぞれ１つの信号が得られる。両方の信号に関し、送信するチップＣ１の送信部内の信号遅延に起因する部分は同じなので、これらの両方の信号間の位相差はＤＲ２－ＤＲ１と同じである。これにより位相差の測定は、総位相差の受信チャネル部分ＤＥＬＴＡ＿ＲＸをもたらす。

これに対応して、組合せＴ２，Ｒ０に相当する仮想アンテナ素子Ｖ１０に関しても２つの信号が得られる。よって選択的に、これらの両方の信号をＤＥＬＴＡ＿ＲＸの測定のために使用してもよく、または両方の方式がチェックのために利用される。ＤＥＬＴＡ＿ＲＸ＝ＤＲ２－ＤＲ１と、ＤＤとが既知であれば、方程式（１）に基づいて送信チャネル部分ＤＥＬＴＡ＿ＴＸ＝ＤＴ１－ＤＴ２も計算さすることができる。

両方の量ＤＥＬＴＡ＿ＲＸおよびＤＥＬＴＡ＿ＴＸを用いて、仮想アンテナ素子の各ペアのために、チップの位相差によって引き起こされる誤差が補正され得る。角度推定の際、例えば仮想素子Ｖ１およびＶ１２の位相が比較される場合、Ｖ１に関してはチップＣ１で送信および受信され、しかしながらＶ１２に関しては送信も受信もチップＣ２で行われるので、補正値はＤＥＬＴＡ＿ＴＸ＋ＤＥＬＴＡ＿ＲＸである。これに対して仮想素子Ｖ１およびＶ６の位相を比較する場合、送信信号は両方の場合ともチップＣ１によるものであり、かつ受信信号だけが様々なチップから得られ、したがって補正値はＤＥＬＴＡ＿ＲＸである。これに対して仮想素子Ｖ５およびＶ１１の信号を比較する場合、両方の場合ともチップＣ２で受信され、しかし送信される信号は様々なチップによるものであり、したがって補正値はＤＥＬＴＡ＿ＴＸである。

決定された補正値ＤＥＬＴＡ＿ＴＸおよびＤＥＬＴＡ＿ＲＸはそれぞれ、両方のチップＣ１およびＣ２のすべての送信または受信チャネルの間の位相関係に対して有効である。つまりこれらの補正値は、図１では示されていない送信もしくは受信アンテナ組合せまたは仮想アンテナ素子にも適用され得る。

上述の原理は、はるかにより大きな数の送信および受信アンテナ素子を備えたアンテナアレイへと一般化することができ、これらの送信および受信アンテナ素子は、水平方向にも鉛直方向にもずれていてもよく、かつ場合によってはアンテナ素子の制御のために３つ以上のチップが必要とされる。例えば全部で３つのチップＣ１、Ｃ２、およびＣ３が存在している場合、受信アンテナ素子Ｒ０に倣って接続されている受信アンテナ素子が少なくとも２つ存在しなければならず、かつアンテナ素子Ｔ１、Ｔ２、Ｒ１、およびＲ２のコンフィグレーションに相応するアンテナコンフィグレーションが少なくとも２つ存在しなければならない。それによりこの場合、２種のチップペア、例えば（Ｃ１，Ｃ２）および（Ｃ２，Ｃ３）のために位相差が測定される。この場合、ペア（Ｃ１，Ｃ３）の位相差は、それらの位相差の合計であり、しかしながら、アンテナアレイ内でＲ０に相当する３つの「分割される」アンテナ素子およびＴ１、Ｔ２、Ｒ１、Ｒ２に倣った３つの様々なコンフィグレーションが存在する場合、選択的に、直接的に測定してもよい。

Ｃ１、Ｃ２ 電子チップ
Ｄ 制御および評価機構
ＴＸ；Ｔ１、Ｔ２ 送信アンテナ素子
ＲＸ；Ｒ０、Ｒ１、Ｒ２ 受信アンテナ素子
ＶＸ；Ｖ１、Ｖ４、Ｖ７、Ｖ１０、Ｖ１２ 仮想アンテナ素子
Ｚ レーダ目標
ＤＥＬＴＡ＿ＲＸ チップ間の位相差の受信チャネル部分
ＤＥＬＴＡ＿ＴＸ チップ間の位相差の送信チャネル部分
ｘ 所定の方向

Claims (4)

1. 所定の方向（ｘ）に相互にずれている送信および受信アンテナ素子（ＴＸ、ＲＸ）のアレイと、前記送信および受信アンテナ素子の異なる選択に割り当てられている少なくとも２つの電子チップＣ１およびＣ２とを備えたＭＩＭＯレーダセンサであって、少なくとも１つの受信アンテナ素子Ｒ０が両方のチップＣ１およびＣ２と接続可能であること、ならびに前記アレイが、少なくとも１つのアンテナ素子コンフィグレーションを有し、前記コンフィグレーションが、前記チップＣ１が割り当てられている送信アンテナ素子Ｔ１と、前記チップＣ１が割り当てられている受信アンテナ素子Ｒ１と、前記チップＣ２が割り当てられている送信アンテナ素子Ｔ２と、前記チップＣ２が割り当てられている受信アンテナ素子Ｒ２とからなり、かつ前記コンフィグレーションでは、前記送信アンテナ素子Ｔ１とＴ２との間のずれが、前記受信アンテナ素子Ｒ１とＲ２との間のずれと一致することを特徴とする、ＭＩＭＯレーダセンサ。
2. 前記チップＣ１およびＣ２が同時に前記受信アンテナ素子Ｒ０により受信する２つの信号の間の位相差（ＤＥＬＴＡ＿ＲＸ）を測定するためにコンフィグレーションされている制御および評価機構（Ｄ）を備えた、請求項１に記載のレーダセンサ。
3. 前記制御および評価機構（Ｄ）が、一方は前記送信アンテナ素子Ｔ１が送信する場合に前記受信アンテナ素子Ｒ２により受信され、もう一方は前記送信アンテナ素子Ｔ２が送信する場合に前記受信アンテナ素子Ｒ１により受信される２つの信号間の位相差を測定するためにコンフィグレーションされている、請求項２に記載のレーダセンサ。
4. 前記制御および評価機構（Ｄ）が、測定された位相差から、前記アレイの仮想アンテナ素子（ＶＸ）間の位相の違いのための補正値を計算し、かつ補正された位相の違いに基づいて角度推定を行うためにコンフィグレーションされている、請求項３に記載のレーダセンサ。
   

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