JP3186622B2 - アンテナ装置および送受信装置 - Google Patents
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Description
帯の電磁波を送受波して探知物体までの距離や相対速度
を計測するレーダ等に用いられるアンテナ装置および送
受信装置に関する。
方を走行する車両との距離や相対速度を計測することな
どを目的として、いわゆる車載用ミリ波レーダが開発さ
れている。このようなミリ波レーダの送受信装置は一般
に、ミリ波発振器、サーキュレータ、方向性結合器、ミ
キサ、アンテナ等が一体化されたモジュールから成り、
車両の前部または後部に取りつけられる。
の前方を走行する車両(図における左側の車両)との相
対距離および相対速度を、たとえばFM−CW方式でミ
リ波を送受波することによって計測する。図22はミリ
波レーダの全体の構成を示すブロック図である。同図に
おいて送受信装置およびアンテナは、図21に示した例
では、車両の前部に取り付けられ、信号処理装置は通常
任意の箇所に設けられる。信号処理装置内の信号処理部
は送受信装置を用いて、前方を走行する車両までの距離
と相対速度を数値情報として抽出し、制御・警報部で
は、自車の走行速度と車間距離との関係から、たとえば
予め定めた条件を満たすときに警報を発したり、前方車
両との相対速度が予め定めたしきい値を超えたときに警
報を発する。
波レーダにおいては、アンテナの指向方向が固定である
ため、次に述べるように、条件によっては目的通りの探
知や計測が行われない場合が生じる。すなわち、たとえ
ば図18に示すように複数車線の道路を車両が走行して
いる場合に、前方に存在する他の車両から反射する電波
を受信するだけでは、その車両が自車が現在走行してい
る車線上に存在するのか否かが直ちには判定できない。
すなわち図18において自車CmからB2で示す放射ビ
ームで電波を送波した場合に、前方を走行する車両Ca
からの反射波とともに対向車線を走行する車両Cbから
の反射波も受波することになり、後者の反射波により求
められる相対速度は非常に大きな値となって、誤って警
報が出されるといった不都合が生じる。また図19に示
す例では、自車CmがB1で示す放射ビームで前方に電
波を送波しても車線に沿って前方を走行している車両C
aを探知することはできない。さらに図20に示すよう
に、起伏のある道路を走行中に、自車Cmが前方にB1
で示す放射ビームで電波の送波を行っても前方の車両C
aを探知することはできない。
述した問題を解消することが考えられる。たとえば図1
8に示した例では、放射ビームをB1〜B3の範囲で変
化させ、演算処理によって各ビーム方向での計測結果を
比較することにより前方の角度方向に近接する2つの探
知物体を分離探知することができる。また図19に示し
た例では、ハンドル操作(ステアリングホイールの舵
角)や、前方を撮像するカメラからの画像情報を解析す
ることによって車線のカーブを判定し、それに応じた方
向に、たとえばB2で示す方向に放射ビームを向けるこ
とによって、前方の車両Caを探知することができる。
さらに図20に示した例でも前方を撮像するカメラから
の画像情報を解析することによって道路の起伏を判定
し、それに応じた方向に、たとえばB2で示す方向に放
射ビームを上げることによって、前方の車両Caを探知
することができる。
の送受信装置において電磁波の放射ビームの指向方向を
変える方法は、アンテナを含む送受信装置の筐体全体を
単にモータ等で回転させて、放射ビームの方向を変化
(チルト)させるものであるため、全体に大型であり、
放射ビームの方向を高速に走査(以下「スキャン」とい
う。)させることも困難であった。
解消して、全体に容易に小型化でき、指向方向を高速に
切り換えるのに適したアンテナ装置およびそれを用いた
送受信装置を提供することにある。
ズと1次放射器とからなるアンテナ装置であって、可動
部分の質量を低減し、その慣性を小さくして高速にスキ
ャンできるようにするために、誘電体レンズの焦点面内
での1次放射器の位置を変え得るように誘電体レンズお
よび1次放射器を設ける。これにより誘電体レンズと1
次放射器の相対位置関係を変えることによって、誘電体
レンズの焦点面内で1次放射器の位置が変位して、誘電
体レンズと1次放射器の位置関係から定まるビームの指
向方向が変化する。
るアンテナ装置において、1次放射器に対する誘電体レ
ンズの中心軸の成す角度を変え得るように誘電体レンズ
を設ける。これにより1次放射器に対する誘電体レンズ
の成す角度を変えることによって、誘電体レンズの軸方
向にビームが指向する。
内での1次放射器の位置を変位させるために、請求項1
に記載のとおり、前記1次放射器を、入出力部としての
第1の誘電体線路と、この第1の誘電体線路に結合する
誘電体共振器と、軸方向に電磁波が放射または入射する
開口部とから構成し、前記第1の誘電体線路と当該第1
の誘電体線路に近接する第2の誘電体線路とによって方
向性結合器を構成し、第1の誘電体線路と第2の誘電体
線路との結合を保ったまま前記1次放射器を移動させ
て、前記誘電体レンズと前記1次放射器との相対位置関
係を変位させる手段を設ける。このように1次放射器と
の間で信号の入出力を行う可動部分を、1次放射器側の
誘電体線路と他の誘電体線路とからなる方向性結合器で
構成することによって、結合関係を保ったまま1次放射
器と誘電体レンズとの相対位置を変位させることが可能
となる。
載のとおり、その結合量を約0dBとすれば、方向性結
合器における伝送損失が極力抑えられて、アンテナの能
率が低下することもない。
に記載のとおり、前記第2の誘電体線路に、送信部、受
信部および送信信号と受信信号とを分離するサーキュレ
ータを接続して送受共用にする。これにより第1の誘電
体線路と、この第1の誘電体線路に結合する誘電体共振
器とからなる1次放射器、および第1の誘電体線路に結
合する第2の誘電体線路部分を送受共用にすることがで
き、前記方向性結合器を用いて可動部分を構成すること
による大型化が避けられる。
り、請求項1〜3のうちいずれか1項に記載のアンテナ
装置に、前記誘電体レンズと前記1次放射器との相対位
置関係を変位させる駆動部を設けて送受信装置を構成す
る。これによりアンテナの指向方向をスキャンさせるこ
とのできる小型の送受信装置が得られる。
アンテナ装置および送受信装置の構成を図1〜図7を参
照して説明する。
関係および放射ビームの指向性との関係を示す図であ
る。同図において1は1次放射器であり、その放射方向
を中心軸として誘電体レンズ2を配置している。(A)
〜(C)は誘電体レンズ2を固定、1次放射器1を可動
とした場合の例であり、(A)に示すように1次放射器
1の放射方向に誘電体レンズ2の中心軸が一致している
場合、誘電体レンズ2の正面方向に放射ビームBが指向
するが、(B)および(C)に示すように1次放射器1
が誘電体レンズ2の焦点面内で変位した場合、その変位
方向とは逆方向に放射ビームBが指向することになる。
(D)〜(F)は1次放射器を固定、誘電体レンズ2側
を可動とした場合の例であり、1次放射器1の放射方向
に誘電体レンズ2の中心軸が一致している場合には、誘
電体レンズ2の正面方向に放射ビームBが指向するが、
(E)および(F)に示すように誘電体レンズ2がその
中心軸に垂直な方向に変位した場合、その変位方向に放
射ビームBが指向することになる。
角度を変えて放射ビームの指向方向を変えるようにした
場合であり、(A)に示すように、1次放射器1の放射
方向が誘電体レンズ2の中心軸方向を向いている場合に
は、誘電体レンズ2の正面方向に放射ビームBが指向す
るが、(B)および(C)に示すように1次放射器1に
対する誘電体レンズの軸方向を変えることによって、そ
の方向に放射ビームBが指向することになる。
1の焦点面内での変位(オフセット)量を変えた時の放
射ビームの指向角(チルト角)の測定結果を示す。ここ
で誘電体レンズ2としては、比誘電率εr=2.3のP
Eを用い、その開口径φを75mm、焦点距離dを2
2.5mmとし、1次放射器1としてはホーンアンテナ
を用いた。このように1次放射器1のオフセット量を0
〜5mmの範囲で変位させることによって、放射ビーム
のチルト角を0〜7°の範囲で変位させることができ
る。
の軸方向を変化させた時の放射ビームの指向角(チルト
角)の測定結果を示す。ここで誘電体レンズ2として
は、比誘電率εr=2.3のPEを用い、その開口径φ
を75mm、焦点距離dを21.0mmとし、1次放射
器1としては非放射性誘電体線路(NRDガイド)によ
り励振される誘電体共振器による垂直1次放射器を用い
た。このように誘電体レンズ2の角度を0〜5°の範囲
で変化させることによって、放射ビームのチルト角を0
〜9°の範囲で変位させることができる。
る。同図において3は1次放射器1を含む送受信部を収
める筐体であり、その開口部(図における上部)に誘電
体レンズ2を取りつけている。筐体3の内部において、
1次放射器1は駆動部4を介して取りつけていて、駆動
部4は1次放射器1を放射方向に垂直な面方向に変位さ
せる。この駆動部4はたとえばリニアモータやソレノイ
ド等から構成する。この構造によって、図1の(A)〜
(C)に示したように誘電体レンズ2と1次放射器1と
の相対位置関係を変化させて放射ビームをチルトさせ
る。
図である。同図において筐体3の内部には1次放射器1
を含む送受信部全体を固定していて、誘電体レンズ2を
駆動部4を介して筐体3の開口部に取りつけている。こ
の駆動部4はソレノイドやリニアモータ等からなり、誘
電体レンズ2をその中心軸に垂直な面方向に変位させ
る。これにより図1の(D)〜(F)に示したように、
1次放射器に対して誘電体レンズを変位させて放射ビー
ムをチルトさせる。
する誘電体レンズの成す角度を変える場合にも、基本的
に図6に示した構造を採ることができる。すなわち図6
において左右2つの駆動部4をそれぞれ変位させて、誘
電体レンズの軸方向が変化するように構成すればよい。
また、誘電体レンズに対する1次放射器の成す角度を変
化させる場合には、基本的に図5に示した構造を採るこ
とができる。すなわち図5において左右2つの駆動部4
をそれぞれ変位させて、1次放射器の軸方向が変化する
ように構成すればよい。以上に述べた例では、説明上紙
面の面内方向に1次放射器または誘電体レンズを変位さ
せるように説明したが、図18〜図20に示したよう
に、車両の正面方向の探知を行うミリ波レーダのよう
に、左右方向だけでなく、上下方向にも放射ビームをチ
ルトさせる場合には、1次放射器または誘電体レンズを
2次元方向に変位させればよい。図7は誘電体レンズの
軸方向から見た送受信装置の正面図である。この場合、
誘電体レンズに対して1次放射器1をx軸方向およびy
軸方向に相対的に変位させることによって、放射ビーム
をx軸方向およびy軸方向にチルトさせる。
よび送受信装置の構成を図8〜図14を参照して説明す
る。
であり、この第2の実施形態では、筐体3内部において
1次放射器1を図における左右方向に変位させることに
よって放射ビームを図における左右方向にチルトさせ
る。
置で用いる誘電体線路の構造を示す部分斜視図である。
同図において101,102はそれぞれ導電体板であ
り、(B),(D)で示す例では、この2つの導電体板
の間に誘電体ストリップ100を挟み込む形態で誘電体
線路を構成している。また(A),(C)で示す例で
は、導電体板101,102の間に誘電体ストリップ1
00a,100bとともに、基板103を挟み込むよう
に設けて、誘電体ストリップの伝送方向に平行な面を持
つ基板を同時に形成している。また(A),(B)と
(C),(D)の違いは、導電体板101,102の溝
の有無である。(A),(B)のように溝を形成すると
ともに、誘電体ストリップによる伝搬域と誘電体ストリ
ップのない非伝搬域の導電体板の間隔および誘電体スト
リップの誘電率を定めて、LSM01モードの遮断周波
数をLSE01モードの遮断周波数より低くなるように
設定すれば、誘電体ストリップのベンド部の曲率半径等
に関わらず、常にLSM01モードの単一モードで伝送
を行うことが可能となる。これにより全体に小型化し、
かつ低損失化を図ることができる。図9に示した各構造
の誘電体線路は、必要に応じて用いればよい。
あり、(A)は放射方向から見た平面図、(B)はその
主要部の断面図である。導電体板41と42との間には
誘電体ストリップ12と円柱状の誘電体共振器11とを
設けていて、導電体板41には誘電体共振器11に対し
て同軸関係にある孔43を形成している。そして、この
誘電体共振器11と孔43との間に、導電体板にスリッ
トを形成したスリット板44を挟み込んでいる。これに
より誘電体ストリップ12の長手方向(図におけるx軸
方向)に直角で導電体板41,42に平行な方向(図に
おけるy軸方向)の成分を持つ電界と、導電体板41,
42に垂直な方向(図におけるz軸方向)の成分を持つ
磁界とが生じるLSMモードで、誘電体ストリップ12
内を電磁波が伝搬する。そして、誘電体ストリップ12
と誘電体共振器11とが電磁結合し、誘電体共振器11
内に誘電体ストリップ12の電界と同一方向の電界成分
を持つHE111モードが発生する。そして、直線偏波
の電磁波が開口部43を介して導電体板41に垂直な方
向(z軸方向)に放射される。逆に開口部43から電磁
波が入射されると、誘電体共振器11はHE111モー
ドで励振し、これと結合する誘電体ストリップ12にL
SMモードで電磁波が伝搬することになる。
線路に結合する誘電体線路を備える誘電体線路装置との
関係を示す図である。同図の上半部は垂直1次放射器4
0と誘電体線路装置50との結合部分の平面図である。
但し、同図においては上部の導電体板を取り除いた状態
で表している。また同図の下半部は垂直1次放射器40
と誘電体レンズ2との関係を示す断面図である。このよ
うに誘電体線路装置50には誘電体ストリップ13を設
けていて、垂直1次放射器40の誘電体ストリップ12
を誘電体ストリップ13に近接させて、図中破線で囲む
部分に誘電体線路による方向性結合器を構成している。
この誘電体ストリップ12,13を用いた方向性結合器
は、ポート#1から伝搬されてくる電磁波をポート#4
へ略0dBで伝搬させる。すなわち0dB方向性結合器
を構成する。この状態で垂直1次放射器40が図におけ
る左右方向に移動しても方向性結合器の結合関係は変わ
らず、ポート#1から伝搬されてくる電磁波は常に略0
dBでポート#4へ出力される。逆に、誘電体共振器の
励振によりポート#4から入射された電磁波は略0dB
でポート#1へ伝搬される。図に示す状態では、a,b
部分に誘電体ストリップ12のo,o′で示す部分が対
応しているが、垂直1次放射器40が図において右方向
に最大変位したとき、a,b部分にn,n′の点が一致
し、逆に、垂直1次放射器40が図において左方向に最
大変位したとき、a,b部分にp,p′の点が一致す
る。このように垂直1次放射器40が変位しても、誘電
体ストリップ13に結合する誘電体ストリップ12の部
分は直線部分であるため、常に一定の結合量に保たれる
ことになる。
装置との間に構成した方向性結合器の部分斜視図であ
る。同図において51,52はそれぞれ導電体板であ
り、この2つの導電体板51,52は垂直1次放射器側
の導電体板41,42に近接しているため、誘電体スト
リップを挟む上下の導電体平面の連続性が保たれる。こ
れにより2枚の導電体板の間に2本の誘電体ストリップ
を並設した方向性結合器と略同様に作用する。
比との関係を示す図である。今、誘電体ストリップ1
2,13による結合線路の偶モードの位相定数をβe、
奇モードの位相定数をβoとし、Δβ=|βe−βo|
と置くと、ポート#1から入力される電磁波に対する
ポート#2へ出力される電磁波の電力比は P2/P1
=1−sin2 (Δβz/2)で表され、ポート#1か
ら入力される電磁波に対するポート#4へ出力される電
磁波の電力比は P4/P1=sin2 (Δβz/2)
で表される。したがって、(Δβz/2)=nπ+π/
2〔n:0,1,2 ... 〕の関係とすれば、ポート#1からの
入力は全てポート#4へ出力されることになり、0dB
方向性結合器が構成される。
よび垂直1次放射器全体の構成を示す図である。但し上
部の導電体板を取り除いた状態として示している。同図
において53はサーキュレータであり、ポート#1から
の入力信号はポート#2へ出力し、ポート#2からの入
力信号はポート#3へ出力する。ポート#1へは誘電体
ストリップ14による誘電体線路を接続していて、ポー
ト#3には誘電体ストリップ15による誘電体線路を接
続している。そして誘電体ストリップ14,15による
それぞれの誘電体線路に発振器55およびミキサ54を
接続している。さらに誘電体線路14,15の間に、そ
れぞれの誘電体線路と結合してそれぞれ方向性結合器を
構成する誘電体ストリップ16を配置している。この誘
電体ストリップ16の両端部には終端器21,22を設
けている。ここで、ミキサ54および発振器55部分に
は、バラクタダイオードやガンダイオードを設け、これ
らに対するバイアス電圧印加用の回路を設けるために、
図9の(A)または(C)に示した基板を介在させた誘
電体線路を構成している。
55の発振信号は誘電体ストリップ14→サーキュレー
タ53→誘電体ストリップ13→誘電体ストリップ12
→誘電体共振器11の経路で伝搬されて、誘電体共振器
11の軸方向に電磁波が放射され、逆に、誘電体共振器
11に入射した電磁波は誘電体ストリップ12→誘電体
ストリップ13→サーキュレータ53→誘電体ストリッ
プ15の経路でミキサ54に入力される。また誘電体ス
トリップ15,16,14により構成される2つの方向
性結合器を介して発振信号の一部がローカル信号とし
て、受信信号とともにミキサ54に与えられる。これに
よりミキサ54は送信信号と受信信号の差の周波数成分
を中間周波信号として生成する。
および送受信装置の構成を図15を参照して説明する。
この第3の実施形態は、垂直1次放射器を2次元方向に
移動可能とするものであり、図15の平面図に示すよう
に、誘電体線路装置60に誘電体ストリップ13による
誘電体線路を設けるとともに、誘電体線路装置50に誘
電体ストリップ17による誘電体線路やサーキュレータ
53等を構成している。垂直1次放射器40に設けた誘
電体ストリップ12と誘電体線路装置60側の誘電体ス
トリップ13とによって1つの0dB方向性結合器を構
成していて、誘電体ストリップ13と17とによっても
う1つの0dB方向性結合器を構成している。そして、
垂直1次放射器40は誘電体線路装置60に対して図に
おける左右方向に可動状態に設けていて、誘電体線路装
置60は誘電体線路装置50に対して図における縦方向
に可動状態に設けている。この場合、誘電体線路装置5
0は固定しておく。これによって結合器部分での損失が
殆どない状態で誘電体共振器11の位置を2次元方向に
移動させることができる。
他の構成例を示す平面図である。但し上下の導電体板は
図において省略している。(A)の例では、誘電体共振
器11と結合する側の誘電体ストリップ12を直線状に
形成している。(B)では垂直1次放射器の誘電体スト
リップ12に結合する側の誘電体ストリップ13を直線
状に形成している。また(C)では誘電体共振器11と
一方の端部で結合する誘電体ストリップ12の他方の端
部をその端部まで相手側の誘電体ストリップ13に平行
に一定距離を保っている。
方向性結合器の構成例を示す図である。以上に示した例
では可動部分の方向性結合器として0dB方向性結合器
を構成したが、この図17に示すように、誘電体ストリ
ップ12,13の一方の端部を開放端とせずに終端器2
3,24を設けてもよい。
射器として、誘電体共振器および誘電体線路を用いた垂
直1次放射器またはホーンアンテナを例示したが、その
他にパッチアンテナ等のマイクロストリップアンテナを
用いてもよい。
放射器の相対位置関係を変えることによって、ビームの
指向方向を変化させるようにしたため、アンテナ装置全
体を駆動するわけではなく、1次放射器または誘電体レ
ンズのみを変位させるだけであるので全体に大型化しな
い。また可動部自体の質量を小さくし、その慣性を小さ
くすることによって、高速に放射ビームをスキャンさせ
ることが可能となる。
との間で信号の入出力を行う可動部分を、第1と第2の
誘電体線路からなる方向性結合器で構成することによっ
て、結合関係を保ったまま1次放射器と誘電体レンズと
の相対位置を変位させることが可能となり、特に1次放
射器を可動側とすれば放射ビームを容易に高速スキャン
できるようになる。
器における伝送損失が極力抑えられて、アンテナの能率
を低下させることがない。
体線路と、この第1の誘電体線路に結合する誘電体共振
器とからなる1次放射器、および第1の誘電体線路に結
合する第2の誘電体線路部分を送受共用にすることがで
き、前記方向性結合器を用いて可動部分を構成すること
による大型化が避けられる。
ズと1次放射器との相対位置関係を変位させる駆動部を
アンテナ装置に内蔵することによって、アンテナの指向
方向を高速スキャンさせることのできる小型の送受信装
置が得られる。
ンズと1次放射器および放射ビームのチルト角の関係を
示す図である。
ンズと1次放射器および放射ビームのチルト角の他の関
係を示す図である。
に対する放射ビームのチルト角の測定結果を示す図であ
る。
変化させたときの放射ビームのチルト角の測定結果を示
す図である。
す断面図である。
を示す断面図である。
る。
である。
図である。
面図である。
示す図である。
す図である。
を含む全体の構成図である。
す平面図である。
分における方向性結合器の3つの例を示す図である。
分における方向性結合器の例を示す図である。
向にチルトさせた様子を示す図である。
向にチルトさせた様子を示す図である。
向にチルトさせた様子を示す図である。
る。
である。
Claims (4)
- 【請求項1】誘電体レンズと1次放射器とからなるアン
テナ装置において、誘電体レンズの焦点面内での1次放
射器の位置を変え得るように誘電体レンズおよび1次放
射器を設け、誘電体レンズに対する1次放射器の相対位
置の変位により放射ビームのチルト角を変えられるよう
にしたアンテナ装置であって、 前記1次放射器を、入出力部としての第1の誘電体線路
と、この第1の誘電体線路に結合する誘電体共振器と、
軸方向に電磁波が放射または入射する開口部とから構成
し、前記第1の誘電体線路と当該第1の誘電体線路に近
接する第2の誘電体線路とによって方向性結合器を構成
し、第1の誘電体線路と第2の誘電体線路との結合を保
ったまま前記1次放射器を移動させて、前記誘電体レン
ズと前記1次放射器との相対位置関係を変位させる手段
を設けたことを特徴とするアンテナ装置。 - 【請求項2】前記方向性結合器の結合量を約0dBとし
たことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。 - 【請求項3】前記第2の誘電体線路に、送信部、受信部
および送信信号と受信信号とを分離するサーキュレータ
を接続して送受共用にしたことを特徴とする請求項1ま
たは2に記載のアンテナ装置。 - 【請求項4】請求項1〜3のうちいずれか1項に記載の
アンテナ装置に、前記誘電体レンズと前記1次放射器と
の相対位置関係を変位させる駆動部を設けたことを特徴
とする送受信装置。
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