JP6738763B2 - レーダ装置 - Google Patents

Description

本開示は、レーダ波を用いて物体を検知するレーダ装置に関する。

特許文献１には、レドームの形状によって反射波を相殺し、アンテナが反射波を受信することを抑制するレドームが記載されている。当該レドームの形状は、アンテナ面と反対方向に向かって凸となる角錐状となっている。

すなわち、アンテナ面端部に比べアンテナ面中央になるほど、その位置におけるアンテナ面とレドームとの垂直方向の距離が長くなる。この距離の違いによりレドームで反射した反射波の位相に違いが引き起こされ、異なる位相同士の反射波が合成されることにより、それらの反射波が相殺され、レドームの形状をアンテナ面に対して平行な形状とした場合に比べて、レドームで反射した反射波をアンテナが受信することを抑制することができる。その結果、レーダ装置が誤検知を引き起こし感度が低下する可能性を抑制することができる。

特開２００９−２８４２８７号公報

しかしながら、このようなレドームの形状によって反射波を相殺しアンテナが反射波を受信することを抑制する方法では、アンテナ面からレドームに入射する入射角の角度に依存して、反射波を相殺しない方位が存在し、その方位に対しては感度低下が生じる。

本開示は、レーダ装置の感度低下を抑制することにより、検出精度を向上させる技術を提供することを目的とする。

本開示の一態様は、レーダ波を用いて物体を検知するレーダ装置（１）であって、アンテナ面（３３）とカバー部（４）とを備える。
アンテナ面は、同一直線である配置直線上に配置された少なくとも１つのアレーアンテナ（３４）を備える。カバー部は、アンテナ面を境界としてレーダ波が放射される側をアンテナ前方として、アレーアンテナのアンテナ前方を覆う。少なくとも１つのアレーアンテナはそれぞれ、同じ位相のレーダ波を放射する複数のアンテナ素子（３２）が配置直線と同一方向となるように配置された少なくとも１つの単位アンテナ（３４１）を備える。単位アンテナは、配置直線とアンテナ面に沿って直交する方向に配列される。配置直線と同一平面であってアンテナ面と直交する仮想的な面をアンテナ中心面とし、アンテナ中心面に対して直交するアンテナ断面において、アンテナ中心面とアンテナ面とが交わる位置をアンテナ中心とし、アンテナ面と対向するカバー部の面であるカバー内面上の点でありレーダ波が入射する任意の点を入射点とし、入射点におけるカバー内面に対する法線と当該入射点及びアンテナ中心を結んだ仮想線とが入射点においてなす角度を入射角として、カバー部は、当該入射角がブリュースター角以下となるように構成される。

このような構成によれば、レーダ装置の感度低下を抑制することにより、検出精度を向上させることができる。
なお、この欄及び特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本開示の技術的範囲を限定するものではない。

レーダ装置の斜視図である。 レーダ装置の図１におけるＩＩ−ＩＩ線のアンテナ断面を表した断面図である。 アンテナ面と対向する方向から見たレーダ装置の構成を表す図である。 カバー部への入射角に対する水平偏波の反射率を表した図である。 矩形のカバー部における理論計算上での透過率を表した図である。 実施形態に示したカバー部における理論計算上での透過率を表した図である。 従来のカバー部と実施形態のカバー部の構造を表した図である。 従来のカバー部、実施形態に示したカバー部及びカバー部無しのそれぞれでの３ｃｈアンテナにおける検知角度に対する絶対利得を表した図である。 従来のカバー部、実施形態に示したカバー部及びカバー部無しのそれぞれでの１ｃｈアンテナにおける検知角度に対する絶対利得を表した図である。 従来のカバー部、実施形態に示したカバー部及びカバー部無しのそれぞれでの検知角度に対する方位精度を表した図である。 変形例におけるレーダ装置の構造を表した図である。 変形例におけるレーダ装置の構造を表した図である。

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を説明する。
［１．実施形態］
［構成］
本実施形態のレーダ装置１は、レーダ波を放射し、当該レーダ波を反射した物体からの反射波を受信する。レーダ波は、あらかじめ定められた周波数を有する電波であり、例えば、ミリ波などである。

図１及び図２に示すようにレーダ装置１は筐体２、素子部３、カバー部４を備える。
筐体２は、レーダ装置１を用いて周囲に存在する物体を検出するレーダ本体を収納するものである。筐体２は周縁部に凹凸形状となる嵌合部２１を有し、嵌合部２１により筐体２とカバー部４とが固定される。なお、レーダ本体は、素子部３を介してレーダ波及び反射波を送受信する送受信回路や、送受信回路に得られた受信信号を処理してレーダ波を反射した物体との距離を少なくとも含む当該物体に関する情報を求める信号処理部等を備える。

素子部３は、図３に示すように、アンテナ基板３１を備える。アンテナ基板３１の形状は、長方形状である。ここで、アンテナ基板３１を構成する２組の向かい合う辺のうち、長い方を長辺、短い方を短辺ともいう。アンテナ基板３１は、例えば図３に示すように、角の部分が切り取られた形状であってもよい。

アンテナ基板３１の面に対して垂直な座標軸をz軸とし、z軸に対して垂直な座標軸をそれぞれx軸、y軸とする。また、x軸及びy軸はそれぞれ互いに直交し、アンテナ基板３１の短辺方向をx軸、長辺方向をy軸とする。以下では、ｘ軸方向をアンテナ偏波方向ともいい、ｙ軸方向を奥行き方向ともいう。また、z軸のプラス方向、即ち電波が放射される方向を前方、z軸のマイナス方向を後方ともいう。

また、アンテナ基板３１は、その一方の面に電波を送受信する２つのアレーアンテナ３４が形成されている。２つのアレーアンテナ３４のx軸方向の中心をアンテナ中心とする。

アレーアンテナ３４はそれぞれ、アンテナ中心がy軸と同一方向の同一直線上となるように配置される。この直線を以下、配置直線という。また、図２に示すように、アレーアンテナ３４が形成されたアンテナ基板３１の面をアンテナ面３３という。ここで、アンテナ面３３を境界としてレーダ波が放射される側をアンテナ前方、その反対側をアンテナ後方とする。

また、アンテナ基板３１は、アンテナ面３３とは反対側の面が筐体２に固定されており、筐体２がグランドとして作用する。ｙｚ面に平行な面であって、アンテナ中心を通る仮想的な面をアンテナ中心面という。すなわちアンテナ中心面は、配置直線と同一平面であってアンテナ面と直交する面である。

図３に示すように、アンテナ基板３１の短辺方向の中央に形成された２つのアレーアンテナ３４は、いずれも同様の構成をしている。２つのアレーアンテナ３４のうち、一方が送信アンテナとして使用され、他方が受信アンテナとして使用される。アレーアンテナ３４は、複数のアンテナ素子３２を備える。アンテナ素子３２は、アンテナ基板３１に対してx軸方向及びy軸方向に沿ってそれぞれ複数個が２次元に配列されている。そして、y軸方向、即ち奥行き方向に沿って１列に配列された複数のアンテナ素子３２が、それぞれ１つの単位アンテナ３４１を構成する。すなわち、単位アンテナ３４１は、複数のアンテナ素子３２が配置直線と同一方向となるように配置されている。アレーアンテナ３４は、５つの単位アンテナ３４１がｘ軸方向に沿って配列された構造を有する。また、複数の単位アンテナ３４１は単位アンテナ３４１ごとに同位相のレーダ波を放射する。以下、アレーアンテナ３４を構成する単位アンテナ３４１それぞれをｘ座標が小さいものから順に１ｃｈアンテナ〜５ｃｈアンテナともいう。

カバー部４は、素子部３において送受信される電波を低損失で透過させる誘電体により形成される。具体的にはカバー部４の比誘電率εrは３．６である。そして、カバー部４は筐体２に固定された際にアンテナ中心面に対して対称な形状を有する。カバー部４は、固定部４１と透過部４２とを備え、透過部４２の端部に固定部４１が備えられる。

アンテナ断面を表した図２に示すように固定部４１は、凹凸形状を備える。カバー部４と筐体２とは、固定部４１の凹凸形状と嵌合部２１の凹凸形状とが嵌合することにより、あらかじめ決められた位置に固定される。カバー部４は筐体２に固定されることにより、筐体２とともに素子部３を収納する空間を形成し、素子部３を保護する。ここで、カバー部４を構成する面のうち、アンテナ面３３と対向する面をカバー内面ともいう。

透過部４２の厚さは均一で、素子部３から放射されるレーダ波の使用周波数に対するカバー部４での実効波長の半分の厚さとなるように形成される。ここで、透過部４２の厚さをカバー厚ともいう。

透過部４２の中央部分はアンテナ面３３と平行な平面形状となり、当該平面形状の部分を平面部６１ともいう。平面部６１の範囲は、カバー部４が筐体２に固定された際に、アンテナ中心において、アンテナ中心面に対して調整角だけx軸方向に広げた範囲と重なる範囲である。本実施形態では、調整角はブリュースター角Bに設定される。ブリュースター角Bとは、屈折率の異なる物質の界面において、水平偏波の反射率が０となる入射角をいう。ここで、入射角は、アンテナ断面において、カバー内面においてレーダ波が入射した点である入射点における法線と、その入射点及びアンテナ中心を結んだ直線とがなす角度で表される。

一方、透過部４２の中央部分以外の部分は曲面形状となり、当該中央部分以外の部分を調整部６２ともいう。調整部６２の当該曲面形状は、調整部６２のカバー内面上の任意の点を通るxz平面において、当該任意の点における入射角がブリュースター角Bとなる形状である。

［作用］
以上詳述したとおり、平面部６１のカバー内面において、アレーアンテナ３４から放射されたレーダ波の入射角はブリュースター角B以下となる。一方、調整部６２のカバー内面において、アレーアンテナ３４から放射されたレーダ波の入射角はブリュースター角Bとなる。

図４に示すように、カバー部４の比誘電率εrが３．６であるときの入射角とレーダ波の水平偏波の反射率との関係は、入射角が０°からブリュースター角Bの範囲において、２０％未満となり、入射角が増加するに従い減少し、ブリュースター角Bで０％となる。一方、入射角がブリュースター角B以上の範囲における水平偏波の反射率は、入射角が増加するに従って、入射角がブリュースター角B未満の範囲の入射角に従った減少幅に比べて急激に増加し、入射角が９０°の場合に、水平偏波の反射率は約１００％となる。

すなわち、本実施形態のレーダ装置１によれば、透過部４２に入射するレーダ波の透過部４２における入射角はブリュースター角B以下となるため、透過部４２のカバー内面におけるレーダ波の水平偏波の反射率は２０％未満となる。

［効果］
以上詳述した第１実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）カバー部４によりレーダ波の水平偏波の反射率を抑えることができるため、水平偏波の反射によるレーダ装置感度の低下を抑制することができ、検出精度を向上させることができる。

従来のカバー部及び本実施形態のカバー部のアンテナ断面での各位置における理論計算上での透過率に相当する透過電力割合をそれぞれ図５及び図６に示す。
図５に示すとおり、カバー部の形状が矩形である場合には、カバー部にレーダ波が３ｃｈアンテナ及び５ｃｈアンテナのそれぞれから入射する入射角がブリュースター角Bとなる位置a1〜a4では、透過電力割合が１００％となる。しかし、位置a1〜a4よりも外側、言い換えれば位置a1〜a4よりもレーダ波を放射しているアンテナから遠くなる位置では、入射角がブリュースター角Bよりも大きくなる。このため、放射されたレーダ波に対する、透過電力割合は低下し、９０％を下回る点が存在する。

これに対し、図６に示すとおり、本実施形態のカバー部４の有する透過部４２は、カバー内面においてアンテナ中心面に対してブリュースター角Bより大きい角度をなす位置では、アンテナ中心から放射されたレーダ波の入射角がブリュースター角Bとなるような曲面形状を有している。

これにより、カバー部の形状が矩形のものと比べ入射角が小さくなる。そのため、透過電力割合が９０％を下回らない。つまり、本実施形態によれば、透過電力割合の低下を抑えることができる。

（２）本実施形態のレーダ装置１によれば、従来の角錐状のカバー部Aと比べ、小型化することができる。すなわち、図７に示すように、従来の角錐状のカバー部Aでは、受信したレーダ波とカバー部Aで反射するレーダ波との間に位相差を付けるために頂点部分をアンテナ面３３に対して１波長分離すために高さが必要となる。しかし、本実施形態ではその必要がないため、小型化できる。

（３）本実施形態によれば従来の角錐状のカバー部Aと比べ、絶対利得が改善される。すなわち、カバー部を設けることによる利得の損失を、従来の角錐状のカバー部Aと比べて抑えることができる。図８に示すように、アレーアンテナ３４中央の単位アンテナ３４１である３ｃｈアンテナにおける絶対利得は改善される。また、図９に示すように、アレーアンテナ３４端部の単位アンテナ３４１である１ｃｈアンテナから放出されるレーダ波についても絶対利得に改善がみられた。すなわち、ヌル点での絶対利得の低下が改善された。なお、ここでいうヌル点とは、レーダ波の相殺によって絶対利得の低下が生じる点をいう。また、検知角度が３０°以上の範囲、すなわち入射角が大きくなる位置で、特に絶対利得が改善された。

（４）本実施形態のレーダ装置１によれば方位精度が向上する。ここでいう方位精度とは、本来検出されるべき方位と実際に測定された方位とのずれに対する精度をいう。すなわち、図１０に示すようにレーダ波に対する検知角度ごとの方位精度を比較すると、本実施形態のカバー部４を用いた場合、従来のカバー部を用いた場合と比べて方位精度のばらつきが小さくなる。

［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

（１）本実施形態では、アンテナ基板３１の短辺方向の中央に２つのアレーアンテナ３４が形成されるとしたが、２つのアレーアンテナ３４が形成される位置は、アンテナ基板３１の短辺方向の中央に限定されるものではない。例えば、図１１に示すように、２つのアレーアンテナ３４ａが形成される位置とアンテナ基板３１ａの中央の位置とがずれている形状であってもよい。また、このような場合において、透過部４２ａの形状は、アンテナ中心面を境界として、アンテナ基板３１ａに対してアンテナ中心面がずれている方向に存在する調整部６２１ａに対するレーダ波の入射角がブリュースター角B以下の角度Cとなる形状であってもよい。また、アンテナ基板３１に対してアンテナ中心面がずれている方向と反対側に存在する調整部６２２aに対するレーダ波の入射角がブリュースター角Bとなる形状であってもよい。

（２）本実施形態では、調整角はブリュースター角Bに設定される。しかし、調整角はブリュースター角Bに限定されるものではない。例えば、透過部４２の中央部分も調整部６２と同様、カバー内面上の任意の点を通るxz平面において、当該任意の点における入射角がブリュースター角Bとなる形状であってもよい。ただし、アンテナ中心からみた正面方向すなわち、アンテナ中心におけるアンテナ面３３に対する法線とカバー部内面とが交わる点は、不連続となるため、その点における入射角はブリュースター角Bとならなくてもよい。

（３）また、本実施形態では、調整部６２の形状は曲面形状であるとしたが、調整部６２の形状はこれに限定されるものではない。例えば、図１２に示すように調整部６２ａの形状はその調整部６２ａにおける３ｃｈアンテナから入射するレーダ波の入射角が全範囲でブリュースター角B以下となるような平面形状であってもよい。このような形状である場合、カバー部４ａを曲面に加工する必要がなく、例えば曲面に加工するための製造コストを抑えることができる。

（４）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１…レーダ装置、２…筐体、３…素子部、４、４ａ…カバー部、２１…嵌合部、３１、３１ａ…アンテナ基板、３２…アンテナ素子、３３…アンテナ面、３４、３４ａ…アレーアンテナ、４１…固定部、４２、４２ａ…透過部、６１…平面部、６２、６２ａ、６２１ａ、６２２a…調整部、３４１…単位アンテナ、A…カバー部、B…ブリュースター角。

Claims (4)

1. レーダ波を用いて物体を検知するレーダ装置（１）であって、
   同一直線である配置直線上に配置された少なくとも１つのアレーアンテナ（３４）を備えるアンテナ面（３３）と、
   前記アンテナ面を境界として前記レーダ波が放射される側をアンテナ前方として、前記アレーアンテナの前記アンテナ前方を覆うカバー部（４）と、
   を備え、
   前記少なくとも１つのアレーアンテナはそれぞれ、
   同じ位相の前記レーダ波を放射する複数のアンテナ素子（３２）が前記配置直線と同一方向となるように配置された少なくとも１つの単位アンテナ（３４１）を備え、
   前記単位アンテナは、前記配置直線と前記アンテナ面に沿って直交する方向に配列され、
   前記配置直線と同一平面であって前記アンテナ面と直交する仮想的な面をアンテナ中心面とし、
   前記アンテナ中心面に対して直交する面であるアンテナ断面において、前記アンテナ中心面と前記アンテナ面とが交わる位置をアンテナ中心とし、前記アンテナ面と対向する前記カバー部の面であるカバー内面上の点であり前記レーダ波が入射する任意の点を入射点とし、前記入射点における前記カバー内面に対する法線と当該入射点及び前記アンテナ中心を結んだ仮想線とが前記入射点においてなす角度を入射角として、
   前記カバー部は、当該入射角がブリュースター角以下となるように、前記アンテナ中心面に対してあらかじめ決められた角度である調整角以上の範囲と前記カバー内面とが交わる部分である調整部（６２）を有する、レーダ装置。
2. 請求項１に記載のレーダ装置であって、
   前記アンテナ断面において、
   前記調整部の形状は、前記調整部の任意の前記入射点における前記入射角が略ブリュースター角Bとなる形状である、レーダ装置。
3. 請求項２に記載のレーダ装置であって、
   前記調整角はブリュースター角であって、
   前記調整角以下の範囲と前記カバー内面とが交わる範囲では、前記カバー内面は前記アンテナ面に対して平行となる平面部（６１）を有する、レーダ装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のレーダ装置であって、
   前記カバー部の厚みであるカバー厚が均一かつ前記レーダ波の実効波長の半分の厚さに構成された、レーダ装置。

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