JP2672287B2 - 自動車速度制御および衝突回避装置用のｒｆセンサおよびレーダ - Google Patents

自動車速度制御および衝突回避装置用のｒｆセンサおよびレーダ

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はヘテロダインミリメ
ートル波レーダシステム、特に自動車速度および衝突回
避システムにおいて使用するための安価な衝突回避セン
サおよびレーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】本発明の出願人は、自動車走行制御およ
び衝突回避システム等を開発している。角度分解能要求
およびアンテナサイズ制限の結果、自動車走行制御およ
び衝突回避装置に関する開発が75乃至95ＧＨｚの周波数
帯域において行われている。これらの短い波長で使用さ
れる技術の成熟した発達により、これらの波長の大部分
のシステムハードウェアが通常の導波管伝送および空洞
技術を使用する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、任意の
形態で製造された導波管素子は、それらがどれだけ安価
に大量生産で生成可能かという点で制限されている。さ
らに、２°より小さい分解能および30°の方位角カバレ
ージに対する要求が与えられた場合、これまでの唯一の
有効な選択は狭いビームの機械的に走査されるアンテナ
である。多くの理由のために、ジンバル付きの(gimbale
d)フラッピング（機械的に走査された）アンテナは最適
な分解能を提供しない。75乃至95ＧＨｚの周波数帯域に
おいて使用するように適合され、現在開発された技術の
ためにほとんど言及されない別の方法は、スロットを有
する導波管フェイズドアレイアンテナである。このアン
テナは、その電子的に走査されるビーム能力により低い
周波数で良好に動作するが、75乃至95ＧＨｚの周波数帯
域において多くの制限を有する。これらの制限には、劣
化する電気特性および大量生産でも非常に高い価格が含
まれる。したがって、本発明の目的は、自動車速度およ
び衝突回避システム等において使用するための安価なセ
ンサ、またはＲＦカメラを使用するヘテロダインミリメ
ートル波レーダシステムを提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記およびその他の目的
を満足させるために、本発明は放射計またはレーダ装置
等を含む走査装置において使用されることができるヘテ
ロダイン受信機アンテナアレイを使用する。特に、本発
明は衝突回避装置等において使用される35乃至300 ＧＨ
ｚのミリメートル波電子走査アレイまたはセンサを提供
する。本発明は、その費用の何分の１かで通常の機械走
査システムの能力を提供する。
【０００５】本発明の１実施例は、フラッドビームアン
テナを有するミリメートル波レーダ送信機を含むレーダ
と、レーダ反射信号を処理してレーダ出力信号を生成す
るレーダ信号プロセッサとを含む。レーダ信号プロセッ
サに結合された受信アンテナを含み、また複数のアンテ
ナ素子と、結合器によって複数のアンテナ素子の出力お
よび送信機にそれぞれ結合された複数のミキサと、複数
のミキサの出力にそれぞれ結合された複数のフィルタ回
路と、複数のフィルタ回路の出力に結合され、多重入力
単一出力のスイッチとして構成され、各受信アンテナ素
子によって受信されたレーダ信号から導出されたビデオ
信号を順次出力するマルチプレクサと、複数の各アンテ
ナ素子にレーダ反射信号を投影するレンズとを具備して
いる本発明によるＲＦセンサが提供される。
【０００６】特に、レーダはＦＭＣＷ（連続波）送信
機、レーダ信号プロセッサおよびＲＦセンサを具備して
いる。ＦＭＣＷ送信機は、基準発振器と、波形制御回路
と、ＦＭＣＷレーダエネルギ送信用の送信機およびミキ
サ局部発振器、並びにレーダエネルギ受信用のミキサ局
部発振器を含むガン(Gunn)送信機と、ビーム選択回路
と、ガン送信機および波形制御回路に結合された高調波
ミキサと、フラッドビームアンテナとを具備している。
【０００７】レーダ信号プロセッサは、増幅器と、増幅
器に結合されたビデオブランキング回路と、ビデオブラ
ンキング回路に結合されたアナログ・デジタル（Ａ／
Ｄ）変換器と、アナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器に
結合された距離／ドップラプロセッサと、距離／ドップ
ラプロセッサに結合された検出／追跡プロセッサと、検
出／追跡プロセッサに結合されたディスプレイと、波形
制御回路、ビーム選択回路、ビデオブランキング回路、
アナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器、距離／ドップラ
プロセッサ、および検出／追跡プロセッサに結合され、
それら間の信号の流れのタイミングを制御するマスター
タイミング基準装置とを具備している。
【０００８】ＲＦセンサは、複数のアンテナ素子と、結
合器によって複数のアンテナ素子の各出力およびガン送
信機に結合された複数のミキサと、複数のミキサの出力
にそれぞれ結合された複数のフィルタ回路と、複数のフ
ィルタ回路の出力に結合され、多重入力単一出力のスイ
ッチとして機能し、受信アンテナ素子によって受信され
たレーダ信号から導出されたビデオ信号を順次出力する
マルチプレクサと、複数の各アンテナ素子にレーダ反射
信号を投影するレンズとを含む受信アンテナを具備して
いる。
【０００９】特に、各アンテナ素子は直線的なテーパー
を有するスロットと、直線的なテーパーを有するスロッ
トに結合されたミキサダイオードと、ミキサダイオード
に結合されたプレーナ同調バックショート(planer tune
d backshort)と、ミキサダイオードに結合されたＲＦロ
ーパスフィルタと、ＲＦローパスフィルタに結合された
増幅器と、増幅器に結合されたＩＦローパスフィルタと
を備えている。
【００１０】ＲＦセンサは、支持管と、この管に固定さ
れた１対の支持部材と、支持部材に固定されたバッキン
グプレートと、支持部材およびバッキングプレートに固
定され、アンテナ素子を具備する誘電性アンテナ素子回
路板と、バッキングプレートおよび誘電性素子回路板に
結合され、アンテナ素子からエネルギを結合するスロッ
トを備えた導波管とを含んでいる。各アンテナ素子は、
直線的なテーパーを有するスロットと、直線的なテーパ
ーを有するスロットに結合されたミキサダイオードと、
ミキサダイオードに結合されたプレーナ同調バックショ
ートとを含んでいてもよい。
【００１１】センサは、１個が送信用であり（1.6 イン
チ×0.18インチ）、１個が受信用である（直径 5イン
チ）２個のアンテナを含み、91ＧＨｚで動作する。送信
アンテナは、 100メートルの距離で自動車の正面の55メ
ートルのセクタを照明する方位角35°および、仰角 6°
のビーム幅を有する。受信アンテナは、簡単なレンズ形
状により、方位角平面を横切る30°の視界を有する16個
の独立した同時的な重複した1.8 °のビームを提供する
疑似光学（quasioptical）焦点平面線形アレイを含む。
レンズアンテナのイメージ平面で光学技術を使用するこ
とによって、印刷回路板を使用して、完全にサンプルさ
れたアレイ（ｌビーム幅間隔）を生成する個々の集積素
子（フィード・ミキサ／ＬＯ結合器）を含むことが可能
である。センサ用のビーム位置選択は、個々の素子のＩ
Ｆ周波数出力で行われる。
【００１２】本発明は、非常に安価な自動車衝突回避セ
ンサまたはＲＦカメラを提供する。本発明は、高い角度
分解能、十分な視界、低い損失率および自動車衝突回避
問題に効果的な非機械的走査方法を実現する非常に安価
な方法を提供する。例えば、第１の原理的モデルのレン
ズおよび16個の素子部分を構成するための材料および生
産費は、 300ドルであった（ミキサダイオードを除
く）。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明の種々の特徴および利点
は、以下の詳細な説明および添付図面からさらに容易に
理解されるであろう。なお、同じ参照符号は、同じ構造
の素子を示すものである。図面を参照すると、図１は、
本発明の原理によるＲＦセンサ20またはカメラ20を使用
した自動車速度制御および衝突回避システム10またはレ
ーダシステム10のブロック図である。図１は、ＲＦセン
サ20の原理的モデルのシステムブロック図を示す。本発
明において行われる方法は、長い(1000 Ｘ) ミリメート
ル波長に良好に理解される光学技術を適用し、センサ20
において使用される印刷アレイ素子を生成するために安
価な製造技術を使用する。
【００１４】システム10は、基準発振器12、波形制御回
路13、ガン送信機14、ビーム選択回路16、高調波ミキサ
15およびフラッドビームアンテナ17を含むＦＭＣＷ（Ｆ
Ｍ連続波）送信機11を具備している。これらの素子は、
図１に示されているように通常の方法で相互接続されて
いる。ガン送信機14は、ＦＭＣＷレーダエネルギ送信用
の送信機およびミキサ局部発振器として通常の方法で使
用される。ガン送信機14はまた、受信機用にフラッドビ
ームアンテナ17を使用せずにミキサ局部発振器のみとし
て通常の方法で使用される。
【００１５】ＲＦセンサ20は、複数のアンテナ素子21ａ
を含む受信機21または受信アンテナ21を含む。各アンテ
ナ素子21ａは、ミキサ22によってフィルタ回路23を通っ
てマルチプレクサ24に結合される。マルチプレクサ24
は、受信アンテナ21によって受信されたレーダ信号から
導出されたビデオ信号を選択的に順次出力するビーム選
択回路16によって制御される多重入力単一出力のスイッ
チ25として機能する。各ミキサ22は、高調波ミキサ15の
ように結合器26によってガン送信機14に結合されてい
る。イメージシーンから受信アンテナ21の複数の各アン
テナ素子21ａにレーダ反射信号を投影するために使用さ
れるレンズ27が設けられる。
【００１６】マルチプレクサ24の出力は、増幅器31、ビ
デオブランキング回路32およびアナログ・デジタル（Ａ
／Ｄ）変換器33を通って距離／ドップラプロセッサ34に
結合されたレーダ信号プロセッサ30に結合される。距離
／ドップラプロセッサ34の出力は、その出力が例えばデ
ィスプレイ36に結合されている検出／追跡プロセッサ35
に結合される。マスタータイミング基準装置37は、波形
制御回路13、ビーム選択回路16、ビデオブランキング回
路32、アナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器33、距離／
ドップラプロセッサ34および検出／追跡プロセッサ35に
結合され、システム10の種々の素子間の信号の流れのタ
イミングを制御する。
【００１７】以下、図２および図３のａ乃至ｃを参照し
てＲＦセンサ20をさらに詳細に説明する。受信アンテナ
21の詳細は、図１のシステム10の受信アンテナ21の後部
を示した図２に示されている。受信アンテナ21において
使用されるレンズ27は、直径が5.2 インチのポリスチレ
ン（ｎ＝1.6 ）のｆ／ｄ＝1.2 の平凸レンズ27を有す
る。レンズ27は、支持管40に収容されている。１対の支
持部材41は支持管40に固定され、それはアンテナ素子21
ａを含むカプトン(Kapton)素子回路板43が取付けられる
バッキングプレート42を固定している。複数の結合スロ
ット54（図１の結合器26に対応している）を備えている
スロットを有する導波管44は、アンテナ素子21ａからエ
ネルギを結合するために使用されるバッキングプレート
42およびカプトン素子回路板43に結合されている。結合
スロット54は、導波管44の壁を形成する銅薄膜をエッチ
ングすることによって形成される。
【００１８】個々のアンテナ素子21ａは、直線的なテー
パーを有するスロット47、ミキサダイオード46、プレー
ナ同調バックショート49、ＲＦローパスフィルタ51、増
幅器52、ＩＦローパスフィルタ53および局部発振器カッ
プリング48から構成され、それらの詳細は図３のａ乃至
ｃに示されている。特に、図３のａ乃至ｃは、図１の受
信アンテナ21の上面図、側面図および下面図をそれぞれ
示している。図３のａ乃至ｃに示された回路素子は、一
般に技術的に良く知られている。
【００１９】レンズ27上の10ｄＢの照明テーパーは、0.
12インチのスロットアンテナ開口を使用することによっ
て達成される。これは、素子21の物理的な位置において
軸的中心からパワーが半分になるビーム幅の0.75だけそ
れらをオフセットし、一方においてそれらが焦点平面を
完全にサンプルすることを可能にする。テーパーを有す
るスロットアンテナ素子21ａの先端近くにおいて、Ｇａ
Ａｓショッツキミキサダイオード46が各アンテナ素子21
ａの２個のフィン45に結合される。これは、ミキサダイ
オード46のインピーダンスに対して受信されたＲＦエネ
ルギを転移させる。フィン45のベースでのスロット幅
は、0.005 インチであり、ミキサダイオード46によって
吸収されないエネルギの伝送ラインとして機能する。プ
レーナ同調バックショート49は、エネルギを適切な位相
でミキサダイオード46に反射する位置に配置されてい
る。
【００２０】アンテナ素子21ａは、厚さが0.001 インチ
であり、0.5 オンスの銅を有してカプトン誘電性素子回
路板43のシート上に印刷される。誘電性素子回路板43を
含むシートの寸法は、2.6 インチ×0.75インチである。
素子回路板43は、銀エポキシ接着剤を使用してスロット
を有する導波管44の狭い壁に整合されて結合される。ス
ロットを有する導波管44のＨ平面ディメンションは、ス
ロットを有する導波管44のスロット54間の間隔が導波管
における１波長であり、伝送ライン間隔と一致するよう
に形成される。導波管スロット47の角度は、スロットを
有する導波管44の長手にわたって一定の出力を維持する
ように変化する。このエネルギは、0.001 インチの厚さ
のカプトン誘電性素子回路板43を通ってミキサダイオー
ド46中に結合し、局部発振器として機能する。残りのエ
ネルギは、フラッドビームアンテナ17によって空間に伝
送される。
【００２１】アンテナ素子21ａのＩＦ出力48におけるビ
ーム位置を選択するのに利用可能なオプションがいくつ
か存在している。原理的モデルは、単極16投スイッチ25
またはマルチプレクサ24を使用して、所望のアンテナ素
子21ａを増幅器31に接続する。別のオプションは、ＩＦ
走査中にエネルギが失われないように、利得および積分
回路（増幅器52およびＩＦローパスフィルタ53によって
与えられる）を各素子の一部分として含んでいてもよ
い。
【００２２】ラインアレイ動作を示すために原理的シス
テム10に関して試験が行われた。アンテナ素子21ａは、
0.17インチ、すなわち１ビーム幅間隔を隔てられた。図
４は、29ＦＯＶにわたる16個の重複した1.8 °ビーム幅
のアンテナ素子出力に対して、反射エネルギが角度的に
変化することを示している。
【００２３】センサ20は２個のアンテナ17，21、すなわ
ち送信アンテナ17（1.6 インチ×0.18インチ）および受
信アンテナ21（直径５インンチ）を含み、91ＧＨｚで動
作する。送信アンテナ17は、 100メートルの距離で方位
角35°（例えばそれが配置されたビークルの正面の55メ
ートルのセクタを照明する）および、仰角 6°のビーム
幅を有する。受信アンテナ21は、簡単な形状のレンズ27
により方位角平面を横切る30°の視界を有する16個の独
立した同時に重複した1.8 °のビームを提供するアンテ
ナ素子21ａの疑似光学焦点平面線形アレイを使用する。
受信アンテナ21のイメージ平面において光学技術を使用
することによって、本発明のセンサ20は、十分にサンプ
ルされたアレイ（ｌビーム幅間隔）を生成する個々の集
積（フィード・ミキサ／ＬＯ結合器）素子21ａを印刷回
路板（素子回路板43）上に含む。センサ20用のビーム位
置選択は、個々の素子21ａのＩＦ周波数出力48で行われ
る。
【００２４】本発明は、高い角度分解能、適切な視界、
低い損失率および自動車速度制御および衝突回避装置に
対して効果的な非機械的走査手段を備えたセンサを提供
する非常に安価な方法を提供する。例えば、センサ20の
原理的モデルのレンズ27および16個のアンテナ素子21ａ
を構成するための材料および生産費は、ミキサダイオー
ド46を除いて 300ドルであった。
【００２５】上記のように、ＲＦセンサ20は、高い角度
分解能、方位角平面における大きいＦＯＶおよび仰角に
おける単一のビームが要求される自動車衝突回避用とし
て開発された。２軸アンテナアレイを必要とする適用の
ために、素子回路板43は、16×16のアレイを生成するよ
うに積重ねられてもよい。さらに、上記の実施例は16個
の素子アレイを使用しているが、本発明のセンサ20は、
例えば20個の素子21ａを有するアンテナ21を使用するよ
うに容易に拡大されることができる。結果的に、本発明
は単一の平面アレイを含むアンテナ素子21ａの数に限定
されるものではない。大型アレイはさらに大きい視界を
提供する。
【００２６】本発明の要点は、放射計またはレーダ装置
等を含む多数の適用で使用されることができるヘテロダ
イン受信機アレイ（受信アンテナ21）にある。本発明
は、衝突回避装置等において使用するための35乃至300
ＧＨｚのミリメートル波電子走査アレイまたはセンサを
提供する。本発明は、通常の機械走査システムの能力を
提供する。
【００２７】以上、自動車速度制御および衝突回避シス
テムにおいて使用するための新しい改良された衝突回避
センサを説明してきた。上記の実施例は、本発明の原理
の適用を表す多数の特定の実施例のなかのいくつかの説
明に過ぎないことを理解すべきである。明らかに、当業
者は本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々および
その他の構造を容易に実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理によるＲＦセンサまたはカメラを
使用した自動車速度制御および衝突回避システムのブロ
ック図。
【図２】図１のシステムの受信アンテナの後面図。
【図３】図１の受信アンテナの個々のアンテナ素子の上
面図、側面図および下面図。
【図４】29°のＦＯＶにわたる16個の重複した1.8 °の
ビーム幅の素子出力に対して、反射エネルギが図１のシ
ステムに対して角度的に変化されることを示したグラ
フ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｑ 13/00 Ｇ０１Ｓ 13/93 Ｚ (56)参考文献 特開 平３−54494（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−240947（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−313091（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−307076（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−169785（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−232486（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−259744（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−243801（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−256930（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 フラッドビームアンテナを含むミリメー
    トル波レーダ送信機と、 レーダ反射信号を処理してレーダ出力信号を生成するレ
    ーダ信号プロセッサと、 ＲＦセンサとを具備し、 ミリメートル波レーダ送信機は、 （ａ）基準発振器と、 （ｂ）波形制御回路と、 （ｃ）ＦＭ連続波レーダエネルギ送信用の送信機および
    ミキサ局部発振器と、レーダエネルギ受信用のミキサ局
    部発振器とを含むガン送信機と、 （ｄ）ビーム選択回路と、 （ｅ）ガン送信機および波形制御回路に結合された高調
    波ミキサとを有するＦＭ連続波送信機を備え、 レーダ信号プロセッサは、 （ａ）増幅器と、 （ｂ）増幅器に結合されたビデオブランキング回路と、 （ｃ）ビデオブランキング回路に結合されたアナログ・
    デジタル変換器と、 （ｄ）アナログ・デジタル変換器に結合された距離／ド
    ップラプロセッサと、 （ｅ）距離／ドップラプロセッサに結合された検出／追
    跡プロセッサと、 （ｆ）検出／追跡プロセッサに結合されたディスプレイ
    と、 （ｇ）波形制御回路、ビーム選択回路、ビデオブランキ
    ング回路、アナログ・デジタル変換器、距離／ドップラ
    プロセッサ、および検出／追跡プロセッサに結合され、
    それら間の信号の流れのタイミングを制御するマスター
    タイミング基準装置とを備え、 ＲＦセンサは、 （ａ）複数のアンテナ素子と、 複数のアンテナ素子の各出力に結合され、結合器によっ
    て送信機に結合された複数のミキサと、 複数のミキサの出力にそれぞれ結合された複数のフィル
    タ回路と、 複数のフィルタ回路の出力に結合され、多重入力単一出
    力のスイッチとして構成され、各アンテナ素子によって
    受信されたレーダ信号から導出されたビデオ信号を順次
    出力するマルチプレクサと、 複数のアンテナ素子のそれぞれにレーダ反射信号を投影
    するレンズとを有する受信アンテナと、 （ｂ）支持管と、 （ｃ）支持管に固定された１対の支持部材と、 （ｄ）支持部材に固定されたバッキングプレートと、 （ｅ）ミキサダイオードに結合されるスロット付き導波
    管の壁に接着剤を使用して整合されて結合され、バッキ
    ングプレートに固定され、アンテナ素子を含む誘電性ア
    ンテナ素子回路板と、 （ｆ）バッキングプレートおよび誘電性アンテナ素子回
    路板に結合され、アンテナ素子からのエネルギを結合す
    るスロット付き導波管とを備え、 複数のアンテナ素子のそれぞれは、 アンテナ素子の物理的な位置を軸中心からパワーが半分
    になるビーム幅の０．７５だけオフセットさせ、焦点平
    面を完全にサンプルすることを可能にする直線的なテー
    パーを有するスロットと、 直線的なテーパーを有するスロットに結合されたミキサ
    ダイオードと、 ミキサダイオードに結合されたプレーナ同調バックショ
    ートと、 ミキサダイオードに結合されたＲＦローパスフィルタ
    と、 ＲＦローパスフィルタに結合された増幅器と、 増幅器に結合されたＩＦローパスフィルタとを有してい
    ることを特徴とするレーダ装置。
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