JP6694967B2 - レーダーセンサのためのアンテナ装置、レーダーセンサのためのアンテナ装置を製造する方法、及び、アンテナ装置のレーダーセンサでの利用法 - Google Patents

Description

本発明は、レーダーセンサのためのアンテナ装置に関する。さらに本発明は、レーダーセンサのためのアンテナ装置を製造する方法に関する。

ここ十数年、自動車分野でのレーダーセンサの普及は顕著に伸びてきていて、なおいっそうの伸びを見せている。第１世代のセンサは、最大約２５０ｍまでの距離の車両前方の限られた角度範囲でのみ、車両の環境を検出することを目的としていた。フロントセンサとして知られるこうしたセンサは、今日と今後のレーダーシステムにおいても、自動車の環境検出の主要な構成要素である。とはいえ近年、検知されるべき物体に関わる要求事項は明らかに増えており、自動化された車両ないし自律的な車両が広まりつつあることを考えると、環境検出に関わる要求事項はさらに増していく。

車両のすぐ前にある物体のほか、明らかに広い角度偏差のもとで物体を検知することが重要さを増している。たとえば最新の車両や未来の車両は、たとえば歩行者、自転車、オートバイなど、横切っていく目標物を検出することができなければならない。このような機能性は、「Cornersensor」すなわち「コーナーセンサ」と呼ばれる、車両の前側のコーナーに組み込まれたセンサによって提供されるべきである。さらに、車両後部構造に配置されるセンサの数も同じく増えている。これらのセンサを援用したうえで、特に、高速で追い越していく車両や、後方に向かって発進するときに同じく横切っていく物体の検出、死角のカバーが可能となる。上述した例から明らかになるとおり、レーダーを用いてトラックの視界を全面的にカバーするというトレンドが生まれている。

したがって本発明の課題は、レーダーセンサのためのアンテナを提供することにあり、このアンテナは、特に自動車のコーナーセンサでの利用に適しているのがよい。

この課題は、第１の態様によれば、次のものを有する、レーダーセンサのためのアンテナ装置によって解決される：
−直列に配線された定義された数の平坦なアンテナ部材を有する、基板の表面に配置された少なくとも１つの第１のアンテナアレイ；
−直列に配線された定義された数の平坦なアンテナ部材を有する、基板の表面に配置された少なくとも１つの第２のアンテナアレイ；
−両方のアンテナアレイとそれぞれセンターで配線された供給導線；
供給導線により供給信号をアンテナアレイへ供給可能であり、それにより第１のアンテナアレイに第２のアンテナアレイと比べて１８０度だけ移相した供給信号を供給可能であるようになっている。

このようにしてアンテナ装置により、センターで供給を受けるパッチ部材の２つのアレイが具体化され、これらのパッチ部材が、互いに対称に構成された２つの最大値を具体化し、それらの主ビーム方向は定義された角度だけ相互に傾いている。このアンテナ装置によって、自動車のコーナー領域で好ましく適用可能なレーダーセンサを具体化することができる。照射特性ないし指向特性を、自動車に対して相対的なレーダーセンサの相応の配置によって規定することができるからである。このときレーダーセンサの利用は、自動車の前側のコーナーだけでなく後側のコーナーについても可能である。

第２の態様によるとこの課題は、次の各ステップを有する、レーダーセンサのためのアンテナ装置を製造する方法によって解決される：
−第１のアンテナアレイの直列に配線された定義された数の平坦なアンテナ部材が基板の上に配置され；
−第２のアンテナアレイの直列に配線された定義された数の平坦なアンテナ部材が基板の上に配置され；
−両方のアンテナアレイとそれぞれセンターで配線された供給導線が基板の上に配置され、供給導線は、第１のアンテナアレイに第２のアンテナアレイと比べて１８０度だけ移相した供給信号が供給可能であるように構成される。

アンテナ装置の好ましい発展例は従属請求項の対象である。

アンテナ装置の１つの好ましい発展例は、両方のアンテナアレイが供給導線に関して互いに機能的に点対称に構成されることを特徴とする。このようにして、アンテナ装置について技術的に容易な具体化コンセプトが提供される。

アンテナ装置のさらに別の好ましい実施形態は、次のことを特徴とする。
−第１のアンテナアレイは第１のアンテナハーフアレイと第２のアンテナハーフアレイを有し；
−第２のアンテナアレイは第１のアンテナハーフアレイと第２のアンテナハーフアレイを有し；
−第１のアンテナアレイの第２のアンテナハーフアレイに移相部材が配置されており；
−第２のアンテナアレイの第１のアンテナハーフアレイに移相部材が配置されており；
−それぞれ接続部材によって供給導線が第１のアンテナアレイの第１および第２のアンテナハーフアレイの接続点と配線されるとともに、第２のアンテナアレイの第１および第２のアンテナハーフアレイの接続点と配線される。

それにより、両方のアンテナアレイの供給信号の１８０度の移相が具体化され、移相部材が供給導線に必要ないという利点がある。結果的に、それによって省スペースでコンパクトなアンテナ装置およびこれに伴ってレーダーセンサ全体の設計形態が可能である。アンテナ装置へのセンターフィードにより、「ロバストな」ゼロ位置をアンテナ指向性図で具体化可能であるという利点がある。ｘｚ平面の放射バリエーションが小さくてすむからである。

アンテナ装置の別の好ましい構成は、供給導線の接続部材が各アンテナアレイに対して非対称に構成されることを意図する。このようにして、両方の最大値の間でゼロ位置が構成される度合いを寸法設定できるという利点がある。それにより、照射特性に関わる要求事項を設計工学的に具体化できるという利点がある。

アンテナ装置の別の好ましい実施形態は、定義された数の別のアンテナアレイを有しており、それぞれ２つの別のアンテナアレイを有するサブアレイがそれぞれアンテナアレイのうちの少なくとも１つと配線されることを特徴とする。このようにして、定義された放射特性を有するアレイアンテナが提供される。

アンテナ装置の別の好ましい実施形態は、第１のアンテナアレイと配線される複数の別のアンテナアレイが、第２のアンテナアレイと配線される複数の別のアンテナアレイと同一であることを特徴とする。

次に、本発明をその他の構成要件および利点とともに複数の図面を参照しながら詳しく説明する。その際に、記載されているすべての構成要件はそれ自体として、または任意の組み合わせとして本発明の対象物を形成し、発明の詳細な説明ないし図面でどのように表現されているかには左右されず、ならびに、特許請求の範囲もしくはその引用において、これらの構成要件がどのようにまとめられているかに左右されない。各図面は必ずしも縮尺に忠実に作成されておらず、同一ないし機能が同一の部材は同一の符号を有している。

開示されている装置構成要件は、開示されている相応の方法構成要件からもこれに準じて明らかとなり、その逆も成り立つ。このことは特に、アンテナ装置に関わる構成要件、技術的な利点、および実施形態が、それに準ずる仕方で、アンテナ装置を製造する方法に関わる対応する実施形態、構成要件、および利点から明らかとなり、その逆も成り立つことを意味する。

図面には次のものが示されている：

自動車におけるレーダーセンサの組付け位置である。 パッチアンテナアレイを示す原理図である。 パッチアンテナアレイへのセンターフィードを示す原理図である。 本発明によるアンテナ装置の実施形態である。 提案されるアンテナ装置によって具体化されるアレイアンテナである。 提案されるアンテナ装置の放射特性である。 提案されるアンテナ装置とアレイアンテナの放射特性である。 アンテナ装置を製造する本発明の方法の実施形態の原理的なフローチャートである。

図１は、複数のレーダーセンサ２００を有する自動車を平面図で示しており、自動車の４つのコーナー領域の１つにそれぞれレーダーセンサ２００が配置されている。前方に向かって放射とセンシングをするフロントセンサは図示していない。レーダーセンサ２００は、送信アンテナと受信アンテナの送信出力／受信出力を集束させることが意図され、定義されたセンシング到達範囲が具体化される。レーダーセンサ２００はそれぞれアンテナ装置（図示せず）を有しており、アンテナ装置はそれぞれ定義された数の長方形または正方形の平坦なアンテナ部材（「パッチ部材」）を有しており、これらが基板の上に配置され、そのようにして、それ自体公知のパッチアンテナを具体化する。

このような種類の公知のアンテナアレイが、図２に平面図で原理的に示されている。平坦なアンテナ部材１０は、最善に制御されるとき、基板に対して直交する照射最大値を具体化する。公知の自動車センサは、直列に供給を受ける平坦なパッチアンテナアレイないしパッチアンテナアレイを基礎とする。直列の供給の欠点は、材料変動を通じて、特に誘電率の変動や周波数領域の変化を通じて、アンテナ指向性図が変化する可能性があることにある。このことは、アンテナ指向性図が高さ方向で「スキント」し、そのために、放射特性の最大値が所望の方向を向かなくなることにつながる不都合があり、それによって到達範囲の損失が引き起こされる。指向性図のいっそう高い安定性をもたらす、考えられる１つの対処法はセンターフィード型のアンテナ構造であり、これに関してはまたあとで詳しく説明する。

このような基本部材を前提としたうえで、それぞれのセンサ（フロント、コーナー、リア）のための本来のアレイアンテナが導き出される。リアセンサとコーナーセンサはそれぞれ車両の角に組み付けられ、それぞれ約９０°方向の対称な角度範囲を扱うためのものである。ただし、このとき出力分布は等しく配分されるのではなく、むしろ重点は、放射出力を外側のコーナーで集束させることにある。そのためにアンテナ設計において、それぞれの送信アンテナのビーム旋回が意図される。ただしこのことは、「スキントする」アンテナによってアンテナ指向性図の安定性が制限され、特に、マイナーローブ挙動と照射方向がいずれも周波数領域や材料変化を通じて変化するという欠点がある。

図３は、２つのアンテナハーフアレイ２０ａ，２０ｂを有する、このような種類のアンテナアレイ２０の公知のセンターフィードを示しており、第１のアンテナハーフアレイ２０ａのストランドは移相部材ないし位相遅延部材１１を有している。移相部材１１により、供給導線１２を介して供給される電気的な供給信号についての経路長が具体化され、それにより、供給信号の定義された移相が両方のアンテナハーフアレイ２０ａ，２０ｂで生成される。その結果、このようにして第１のアンテナハーフアレイ２０ａでは第２のアンテナハーフアレイ２０ｂと比べて１８０°の移相を生起可能であり、この移相は、放射特性をｘｚ平面で均等に、かつ周波数変動ないし材料変化から実質的に影響を受けることなく保つことを可能にする。

すなわち上述したセンターでのアンテナ供給は、特に誘電率などの材料特性の変化ないし周波数シフトが生じたとき、両方のアンテナハーフアレイ２０ａ，２０ｂがｘｚ平面で反対方向へスキントすることにつながり、それにより、スキント効果が合計で再び補償される。つまり移相部材１１により、アンテナ指向性図のいっそう高い安定性がもたらされるという利点がある。

センターフィードにより、アンテナ装置の材料変動や供給源の周波数変動によって実質的に左右されることがない、ロバストなゼロ位置をアンテナ指向性図で生成可能である。それにより、未来のリアセンサおよびコーナーセンサの使用にとって必要である、ロバストなアンテナ指向性図を製作することが可能となる。このように、このようにセンターで供給を受けるアンテナの設計には、両方のアンテナハーフアレイ２０ａ，２０ｂの構造的な重なり合いを実現するために、１８０°の移相部材が必要である。アジマス方向で、すなわち自動車での使用に関しては車道表面に対して実質的に平行に、ゼロ位置を生起するために、２つのアンテナアレイが必要である。このとき両方のアンテナアレイの供給は、１８０°だけ互いにシフトしていなければならない。このことは、図４に示す構造によって好ましく実現することができる。

図４は、レーダーセンサのための提案されるアンテナ装置１００の第１の実施形態を示している。このアンテナ装置１００は、アンテナハーフアレイ２０ａ，２０ｂ，３０ａ，３０ｂをそれぞれ２つ有する、第１のアンテナアレイ２０および第２のアンテナアレイ３０を有している。両方のアンテナハーフアレイ２０，３０は供給導線１２によってセンターフィードで供給を受け、ないしは励起され、供給導線１２は、アンテナアレイ２０，３０への２つの短い接続部材１２ａ，１２ｂを有するＴ字型に構成されている。したがって、Ｔ字型の供給導線１２の交差点に関して、この構造は機能的に点対称に構成されている。

このことは、第１のアンテナハーフアレイ２０ｂと第２のアンテナハーフアレイ３０ａにそれぞれ移相部材１１が配置されることによって実現される。このような種類のコンフィギュレーションにより、ｙｚ平面に関して２つの対称な放射特性の主最大値が生成される。このことは、ｙｚ平面に関して、相互に傾いた２つの放射最大値を有する特性が形成されることを意味する。このことは、上述した自動車のレーダーセンサのいわゆるリアセンサやコーナーセンサでの利用にとって特別に好ましい。そこでは、互いに向きを変えた照射最大値が非常に有益だからである。

移相部材１１の機能性は、別案として、前述したものとは異なる幾何学形態によって具体化することもできる。たとえば、移相部材１１が別様にアライメントされたり、円形に構成されるなどが考えられる。

供給導線１２の短いクロスバーないし接続部材１２ａ，１２ｂが非対称に構成され、それにより、結果として出力分配器を具体化する様子を見ることができる。それにより、等しくない規模の電気出力が両方のアンテナアレイ２０，３０へ供給されることを実現することができる。このようにして、上述した２つの主最大値の間で最小値をいっそう強く、またはいっそう弱く構成することが可能になるという利点があり、このとき最小値は、両方の接続部材１２ａ，１２ｂが対称に近く構成されるほど強く構成される。アンテナ装置１００は、このようにして出力低下をセンターで生起し、定義された角度オフセットで電磁出力を照射し、それによって上述した自動車のコーナーセンサでの採用が非常に好都合となる。上述のアンテナコンセプトは、ＭＩＭＯアレイアンテナ設計（英語multiple input multiple outpt）にも良く適している。

上述したコンフィギュレーションにより、供給導線１２の形態でのコンパクトで比較的損失の少ない供給網によって、従来の取組みに比べて少ない所要面積をアンテナ装置１００について具体化することが可能である。このことは、１８０°の移相を生成するために必要な移相部材が、供給導線１２の比較的短い接続部材１２ａ，１２ｂに配置されるのではないので、両方のアンテナアレイ２０，３０を互いに平行にアライメントして省スペースに構成できることによって根拠づけることができる。

図５は、アレイアンテナのための上述したアンテナ装置１００の１つの好ましい用途を示している。全部で６つのアンテナアレイ２０．．．７０を有するアレイアンテナを見ることができ、両方のアンテナアレイ２０，３０がセンターで供給を受け、前記の両方のアンテナアレイ２０，３０と、それぞれ別のアンテナアレイ４０，５０ないし６０，７０が上方と下方で配線されている。このようにして、アレイアンテナの定義された照射特性を具体化することができる。

図６は、図４の実施形態の放射指向性図を示しており、無次元で示されている到達範囲Ｒの推移が、度で表されたアジマス角φに対してプロットされている。ほぼ０°のときにアンテナ装置１００の最小値が現れることがわかる。２つのアンテナ最大値は約＋４５°と約−４５°のアジマス角のときに現れ、このことは、結果として約９０°だけ旋回した照射特性をもたらし、自動車の上述したコーナーセンサでの採用を好ましいものにする。中央の最小値の低下を、上に述べた接続部材１２ａ，１２ｂの寸法設定によって具体化することができる。図７は、破線の推移で図６の放射特性の類似する推移を示しており、実線の推移で図５のアレイアンテナの放射特性の推移を示している。ここでも、約９０°のレーダーセンサのカバレージをほぼ具体化する、それぞれ２つの主最大値が約＋４５°と約−４５°のところに形成されていることがわかる。

図８は、アンテナ装置１００を製造するための実施形態の原理的なフローチャートを示す。

ステップ３００で、第１のアンテナアレイ２０の直列に配線された定義された数の平坦なアンテナ部材１０の基板１上の配置が実行される。

ステップ３１０で、第２のアンテナアレイ３０の直列に配線された定義された数の平坦なアンテナ部材１０の基板１上の配置が実行される。

ステップ３２０で、両方のアンテナアレイ２０，３０とそれぞれセンターで配線される供給導線１２の基板１への配置が実行され、アンテナアレイ２０，３０と供給導線１２は、第１のアンテナアレイ２０，３０に第２のアンテナアレイ３０と比べて１８０°だけ移相した供給信号が供給可能であるように構成される。

要約すると、本発明によりレーダーセンサのためのアンテナ装置およびアンテナ装置を製造する方法が提案され、それによって特に自動車のコーナー領域で使用されるべきロバストなレーダーセンサを、定義された放射特性で具体化することができる。

本発明をここでは具体的な実施形態を参照しながら説明したが、決してこれに限定されるものではない。したがって当業者は、本発明の要部から逸脱することなく、ここでは具体化していない、あるいは部分的に開示されている実施形態をも具体化するであろう。

１ 基板
１０ アンテナ部材
１２ 供給導線
１２ａ，１２ｂ 接続部材
２０ 第１のアンテナアレイ
２０ａ 第１のアンテナハーフアレイ
２０ｂ 第２のアンテナハーフアレイ
３０ 第２のアンテナアレイ
３０ａ 第１のアンテナハーフアレイ
３０ｂ 第２のアンテナハーフアレイ
４０，５０，６０，７０ 別のアンテナアレイ
１００ アンテナ装置
２００ レーダーセンサ

Claims (7)

1. レーダーセンサ（２００）のためのアンテナ装置（１００）において、
   直列に配線された定義された数の平坦なアンテナ部材（１０）を有する、基板（１）の表面に配置された少なくとも１つの第１のアンテナアレイ（２０）と、
   直列に配線された定義された数の平坦なアンテナ部材（１０）を有する、前記基板（１）の表面に配置された少なくとも１つの第２のアンテナアレイ（３０）と、
   前記両方のアンテナアレイ（２０，３０）とそれぞれセンターで配線された供給導線（１２）とを有し、
   前記供給導線（１２）により供給信号が前記アンテナアレイ（２０，３０）へ供給可能であり、前記両方のアンテナアレイ（２０，３０）に配置される移相部材（１１）により前記第１のアンテナアレイ（２０）に前記第２のアンテナアレイ（３０）と比べて１８０度だけ移相した供給信号が供給可能であるようになっており、
   前記移相部材（１１）は前記供給導線（１２）の交差点に関して互いに機能的に点対称に構成されている、
   アンテナ装置。
2. 前記第１のアンテナアレイ（２０）は第１のアンテナハーフアレイ（２０ａ）と第２のアンテナハーフアレイ（２０ｂ）を有し、
   前記第２のアンテナアレイ（３０）は第１のアンテナハーフアレイ（３０ａ）と第２のアンテナハーフアレイ（３０ｂ）を有し、
   前記第１のアンテナアレイ（２０）の前記第２のアンテナハーフアレイ（２０ｂ）に前記移相部材（１１）が配置されており、
   前記第２のアンテナアレイ（３０）の前記第１のアンテナハーフアレイ（３０ａ）に前記移相部材（１１）が配置されており、
   それぞれ接続部材（１２ａ，１２ｂ）によって前記供給導線（１２）が前記第１のアンテナアレイ（２０）の前記第１および前記第２のアンテナハーフアレイ（２０ａ，２０ｂ）の接続点と配線されるとともに、前記第２のアンテナアレイ（３０）の前記第１および前記第２のアンテナハーフアレイ（３０ａ，３０ｂ）の接続点と配線される
   ことを特徴とする、請求項１に記載のアンテナ装置（１００）。
3. 前記アンテナアレイ（２０，３０）への前記供給導線（１２）の前記接続部材（１２ａ，１２ｂ）が非対称に構成される
   ことを特徴とする、請求項２に記載のアンテナ装置（１００）。
4. 定義された数の別のアンテナアレイ（４０．．．７０）を有しており、それぞれ２つの別のアンテナアレイ（４０，５０，６０，７０）を有するサブアレイがそれぞれ前記アンテナアレイ（２０，３０）のうちの少なくとも１つと配線される
   ことを特徴とする、請求項１から３のうちいずれか１項に記載のアンテナ装置（１００）。
5. 前記第１のアンテナアレイ（２０）と配線される複数の別のアンテナアレイ（４０，５０）は前記第２のアンテナアレイ（３０）と配線される複数の別のアンテナアレイと同一である
   ことを特徴とする、請求項４に記載のアンテナ装置（１００）。
6. レーダーセンサ（２００）のためのアンテナ装置（１００）を製造する方法において、 次の各ステップを有し、すなわち、
   第１のアンテナアレイ（２０）の直列に配線された定義された数の平坦なアンテナ部材（１０）が基板（１）の上に配置され、
   第２のアンテナアレイ（３０）の直列に配線された定義された数の平坦なアンテナ部材（１０）が前記基板（１）の上に配置され、
   前記両方のアンテナアレイ（２０，３０）とそれぞれセンターで配線された供給導線（１２）が前記基板（１）の上に配置され、前記両方のアンテナアレイ（２０，３０）に配置される移相部材（１１）により、前記第１のアンテナアレイ（２０）に前記第２のアンテナアレイ（３０）と比べて１８０度だけ移相した供給信号が供給可能であるように構成され、
   前記移相部材（１１）は前記供給導線（１２）の交差点に関して互いに機能的に点対称に互いに配置される、
   方法。
7. 請求項１から５のいずれか１項に記載のアンテナ装置（１００）のレーダーセンサ（２００）での利用法。

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