JP6770079B2 - 電磁放射を送信および受信するためのアンテナ構造を含むレーダーシステム - Google Patents

Description

本発明は、電磁放射を送信および受信するために意図されるアンテナ構造を含むレーダーシステムに関し、Ｎ個の第１のアンテナは送信のために意図されるとともにＭ個の第２のアンテナは受信のために意図され、Ｎ個の第１の送信アンテナとＭ個の第２の受信アンテナによってアンテナの検出領域にある物体がＭＩＭＯ原理に基づいて検知される。さらに、Ｎ個の第１の送信アンテナは互いに直交する送信信号を送信サイクルで発信し、Ｎ個の第１の送信アンテナのうちＮ−ｎ個は水平方向に相並んで配置されるとともに、Ｎ個の第１の送信アンテナのうち少なくともｎ個は水平方向に相並んで配置されたＮ−ｎ個の送信アンテナに対してそれぞれ等しいオフセットをもって垂直方向にオフセットされて配置されており、Ｍ個の第２の受信アンテナのうちＭ−ｍ個は水平方向に相並んで配置されるとともに、Ｍ個の第２の受信アンテナのうち少なくともｍ個は水平方向に相並んで配置されたＭ−ｍ個の受信アンテナに対して垂直方向にオフセットされて配置されることが意図される。

自動車産業では、近年、車間距離コントロールの意味における速度コントロールを可能にして渋滞走行を快適に構成する、アダプティブクルーズコントロールとも呼ばれるアダプティブな走行速度コントロールが採用されることが増えている。そのために多くの場合、前方走行する物体やその他の周辺区域物体を検知するためのアンテナ構造を有するレーダーセンサが利用される。

このような種類のアダプティブな走行速度コントローラは、たとえば非特許文献１で知られている。

本発明に近縁のアンテナ構造がたとえば特許文献１から公知であり、そこには、上方走行可能または下方走行可能な反射点を認識するための手段を有する、自動車の周辺区域認識のためのレーダーシステムが示されており、このレーダーシステムは、電磁放射を発信および受信するためのパッチアンテナを有している。

独国特許出願公開第１０２００９０３２１１４号明細書

「アダプティブな走行速度コントロールＡＣＣ」、ＩＳＢＮ番号ＩＳＢＮ−３−７７８２−２０３４−９をもってローベルト・ボッシュＧｍｂＨ（シュツットガルト）により２００２年４月に刊行

本発明の眼目は、時間マルチプレクスＭＩＭＯ法と連携しながら良好な方位角見積りだけでなく関連する角度範囲にわたって一義的な仰角見積りをも広いアパーチャで、すなわち高い精度と高い分離能力で達成することを可能にするアンテナ構造を有するレーダーシステムを提供することにある。それと同時に、本発明によるアンテナの構造により、送信コンポーネントと受信コンポーネントを含んでいてＭＭＩＣ（Monolithic Microwave Integrated Circuit）として製作されていてよい高周波チップをセンサの中央に配置できるような構造が可能となり、このことはアンテナへの短い、かつ近似的に等しい長さの引込回線をもたらす。このことは、個々の高周波チャネルの間の減衰損失と位相同期に関して利点がある。

本発明によると、このことは独立請求項の構成要件によって解決される。好ましい発展例や実施形態は従属請求項から明らかとなる

水平方向に相並んで配置されるＮ−ｎ個の送信アンテナに対してオフセットされて配置されるｎ個の送信アンテナは、ちょうど１つの送信アンテナであることが意図されていてよいのが好ましい。ｎ＝１が選択されるこのような実現のケースでは、すべての送信アンテナが水平方向に相並んで配置されて、１つのアンテナだけが垂直方向へ変位している。このことは、自動車での車間距離コントロールにとって特別に意義のある方位角の正確な判定を可能にする。それと同時に仰角の判定も可能となるが、方位角の測定にあたっては、この方位角のほうが仰角よりも厳密に判定される。アダプティブな走行速度コントローラの走行課題にとっては、方位角のほうに大きい意義があるからである。

さらに、水平方向に相並んで配置されるＭ−ｍ個の受信アンテナに対してオフセットされて配置されるｍ個の受信アンテナは、ちょうど１つの受信アンテナであるのが好ましい。ｍ＝１が選択されるこの好ましい実施形態では、受信アンテナが水平方向に相並んで配置され、それにより、検知された物体の方位角の正確な判定が実現され、それと同時に受信信号の仰角見積りが可能となる。この場合にも仰角の判定が可能であるが、方位角の測定のほうが仰角の測定よりも正確である。アダプティブな走行速度コントローラの走行課題にとって、方位角のほうに大きい意義があるからである。

さらに、水平方向に相並んで配置されるＭ−ｍ個の受信アンテナに対してオフセットされて配置されるｍ個の受信アンテナは、水平方向に相並んで配置されるＭ−ｍ個の受信アンテナに対してそれぞれ相違する垂直方向のオフセットを有するのが好ましい。個々のアンテナの相違する垂直方向のオフセットによって、相違するアパーチャによって、および相違する受信信号の分解能によって、測定を実施することが可能である。これに加えて、異なる垂直方向のオフセットによって具体化可能なアパーチャは、同じ一義性範囲のままで、等しい垂直方向のオフセットを適用した場合（uniform linear array）よりも大きい。

さらに、Ｎ個の送信アンテナおよび／またはＭ個の受信アンテナはパッチアンテナとして製作されるのが好ましい。パッチアンテナは、配線板の銅層からエッチング除去することができる長方形のアンテナフィールドである。それにより、銅層の構造化とエッチング除去によって複雑なアンテナ構造を構成することが可能であり、その際に、構造の複雑性が増したときの製造コストがコスト高になることがない。このような種類のパッチアンテナは特別に低コストであり、容易に製造可能である。

さらに、Ｍ個すべての受信アンテナが等しい個数と等しい配置のパッチを有するのが好ましい。この構成要件により、アンテナ構造全体が複数の同一のパッチアンテナから構成される。

さらに、互いに直交する送信信号は時間マルチプレクス、コードマルチプレクス、または周波数マルチプレクスによって具体化されるのが好ましい。直交する送信信号を送信するためには、互いに干渉し合わない信号を生起することが必要であり、それによって特に、上述した時間マルチプレクス、コードマルチプレクス、または周波数マルチプレクスの各方法が特別に好適である。

さらに、モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）がＮ個の送信アンテナとＭ個の受信アンテナとの間で中央に配置されるのが好ましい。それにより、モノリシックマイクロ波集積回路からそれぞれのアンテナ接続部への引込回線をほぼ等しい長さで製作できることが可能となり、それにより、ほぼ等しい位相関係が個々の送信信号の間で、ないしは個々の受信信号の間でもたらされ、引込回線を同時に可能な限り短く抑えることができるので、同時に、送信信号の減衰を最小化することができる。

さらに、モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）は、送信チャネルのための信号処理装置と受信チャネルのための信号処理装置とを両方とも有するのが好ましい。それにより、特別に小型のアンテナを製造することが可能となり、しかも、これをいっそう低コストに製造することができる。レーダーシステムの回路部分の大部分がモノリシックマイクロ波集積回路へと一緒に統合され、このＩＣの外部では、特にアンテナ構造だけしか配線板に設けなくてすむからである。

本発明のその他の構成要件、適用可能性、利点は、図面の図に示されている本発明の実施例についての以下の説明から明らかとなる。その際に、記載または図示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、特許請求の範囲でのまとめ方やその引用には左右されず、ならびに、発明の明細ないし図面の中でどのように記述ないし図示されているかには左右されない。

次に、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。図面は次のものを示す。

本発明によるレーダーシステムの実施形態を示す模式的なブロック図である。 本発明に基づくアンテナ構造の第１の実施形態である。 本発明に基づく本発明のアンテナ構造の別の実施例である。

図１には、本発明によるレーダーシステムの模式的なブロック図が示されている。レーダーシステムを形成する送受信装置１を見ることができる。これは、しばしばＭＭＩＣ（Monolithic Microwave Integrated Circuit）とも呼ばれるモノリシックマイクロ波集積回路２からなっており、信号をマイクロ波領域またはミリメートル波領域で処理する高周波回路コンポーネントを含む集積回路である。このような種類のコンポーネントは、たとえば分周器、周波数逓倍器、ミキサ、増幅器、またはその他の送受信コンポーネントであり得る。このようなモノリシックマイクロ波集積回路２に、オシレータ３の出力信号が入力信号として供給される。このオシレータ３は、後置された回路素子へ出力信号として転送され、そのようにして、マイクロ波信号の搬送波周波数の生成のために作用する周波数を生成する。さらにモノリシックマイクロ波集積回路２には、一連の送信アンテナ（Ｔｘ）４が接続されていて、モノリシックマイクロ波集積回路２がこれらに送信信号を出力し、この送信信号は、送信アンテナ（Ｔｘ）４によって発射される。

さらに、周囲からマイクロ波信号を受信して回路２へ供給する一連の受信アンテナ（Ｒｘ）５が、モノリシックマイクロ波集積回路２と接続されている。受信アンテナ（Ｒｘ）５によって受信される信号は、その前に送信アンテナ（Ｔｘ）４から発射されて、検知されるべき物体で部分的に反射され、受信アンテナ（Ｒｘ）５により変換されて電気信号に戻る信号であるのが好ましい。送信アンテナ（Ｔｘ）４ないし受信アンテナ（Ｒｘ）５の個数は同一である必要はない。たとえば本発明によるレーダーシステム１は、受信アンテナ５として意図されるものよりも多い個数の送信アンテナ４、またはこれよりも少ない個数の送信アンテナ４を備えていることが考えられる。受信アンテナ５からモノリシックマイクロ波集積回路２に供給される受信信号はＭＭＩＣで処理され、出力信号がＭＭＩＣ出力部６を介して評価回路７へ供給される。たとえばミキサ、復調器、ならびにアナログ／デジタル変換器がＭＭＩＣ２に一緒に統合されていることが考えられ、それにより、受信アンテナ５の受信信号のダウンミキシング、復調、ならびにデジタル変換がＭＭＩＣ２で実行されて、デジタル化された物体データがＭＭＩＣ出力部６を介して評価回路７へと転送される。しかしながら、列挙したコンポーネントのうちいくつかだけがモノリシック集積回路２に一緒に統合されていて、それに伴い、ＭＭＩＣ出力部６ではデジタル化ずみのデータを出力できないことも考えられる。そのケースでは、アナログ／デジタル変換器を評価回路７へ格納し、ＭＭＩＣ２からＭＭＩＣ出力部６を介して中間周波数信号を伝送することが可能である。評価回路７では信号反射がその距離、方位角、仰角に関して、ならびに場合によりその信号強度に関しても評価されて、以後の物体処理部へと供給される。
アダプティブな車間距離コントローラでは、そのつど検知された物体の方位角の評価に大きな意義がある。これをもとに、先行車両が自身の走行進路にいるか否かを判定できるからである。

図２には、送信アンテナ（Ｔｘ）４ならびに受信アンテナ（Ｒｘ）５の考えられる配置が示されており、これらを用いて特別に好ましい仕方により、先行する検知された物体の方位角だけでなく仰角も判定することができる。たとえば図面の下半分に示されているパッチアンテナ１０，１１、ならびに上側の左に示されているパッチアンテナ１２は、送信のために意図される送信アンテナ（Ｔｘ）４である。パッチアンテナ１４，１５，１６ならびに１９はそれぞれ２列のパッチアンテナによって形成されており、それぞれ図面の上半分に示されている。このケースでは構造は、Ｎ＝３個の送信アンテナならびにｎ＝１個すなわちちょうど１つの垂直方向にオフセットされた送信アンテナ１２から構成される。受信アンテナ（Ｒｘ）５は、図示した例では、Ｍ＝４個のパッチアンテナおよびｍ＝１すなわちちょうど１つの垂直方向にオフセットされている、受信アンテナアレイ１９で図示する受信アンテナから構成される。図示しているアンテナアレイ１０から１９の間の中央に、モノリシックマイクロ波集積回路２（ＭＭＩＣ）を位置決めするために考えられる１つの場所が破線で示されている。これは、たとえばアンテナアレイ１０から１９が装着されている高周波配線板の裏面または高周波配線板の表面に配置されていてよい。高周波配線板の表面とは、本発明では、送受信アンテナが配置されている配線板の側を意味する。この実施形態は、配線板を通すスルーホールコンタクトが不要になるという利点がある。高周波配線板の裏面に１つのＭＭＩＣないし複数のＭＭＩＣが位置決めされると、ＭＭＩＣの位置決めに関していっそう高い自由度が得られ、ＭＭＩＣが他の信号処理コンポーネントに対して短い接続回線を有し、高周波配線板の表面と裏面との間の配線板の内側の金属層によって、入射する電磁信号の干渉照射に対してより良くＭＭＩＣを防護できるという利点がもたらされる。このような種類のモノリシックマイクロ波集積回路２の位置決めでは、パッチアンテナとＭＭＩＣとの間のほぼ等しい長さの引込回線が得られ、このことは、送受信信号の位相位置に関わる利点につながるとともに、送受信信号の少ない減衰という形で具現する。

さらにそれぞれのアンテナパッチ１０から１９には、それぞれのアンテナパッチによって受信ないし発射される信号の合計について生じる、それぞれの位相中心８が図示されている。送信アンテナＴｘの水平方向の配置によって、ないしは受信アンテナＲｘの水平方向の配置によって、検知されるべき物体の方位角を検出することが可能である。ただしその際に、水平方向にのみ配置されたアンテナによって反射中心の仰角も判定することは可能ではないので、本発明に基づき、送信アンテナ１２が他の両方の送信アンテナ１０および１１に対して垂直方向にオフセットされており、１つの、複数の、または選択的に全部の送信アンテナが同時に送信信号を発射することができる。水平方向に相並んで配置されたアンテナ１０，１１に対する、送信アンテナ１２の垂直方向へのオフセットは、図２に示す実施形態では、垂直方向にａの大きさである。同様に受信アンテナ１４から１６は、検知されるべき物体の方位角の良好な決定を可能にするために、位相中心８に関して水平方向に相並んで配置されていてよい。ここでは追加の受信アンテナ１９は、水平方向に相並んで配置された受信アンテナ（Ｒｘ）１４から１６に対して垂直方向へオフセットｂの分だけオフセットされており、それにより、検知されるべき物体の仰角の判定が可能となる。

ＭＩＭＯ原理は仰角方向でも適用されるので、４通りの測定を利用することができる。送信アンテナＴｘのオフセットａ、および受信アンテナＲｘのオフセットｂのとき、４通りの仮想的な位置０；ａ；ｂ；ａ＋ｂがもたらされ、その結果、１目標仰角見積りでも２目標仰角見積りでも、そのつど品質値を決定することができる。

図３には、本発明によるレーダーシステム１の別の実施例が示されている。好ましくは高周波配線板の表面に装着されるパッチアンテナのアンテナアレイが、同じく示されている。同様に、特別に高性能なレーダーセンサーのケースでは、２つのＭＭＩＣをカスケード化できることも考えられ、それにより、いっそう多い数の送信チャネルないし受信チャネルを利用することができる。たとえば、４つの送信アンテナ（Ｔｘ）１０から１２、ならびに受信アンテナ（Ｒｘ）１４−２１を有する８つの受信チャネルを利用できることが考えられる。ここで留意すべきは、送信チャネルおよび受信チャネルは１つのＭＭＩＣの内部のみ位相同期しているが、両者の間では必ずしもそうでないことである。したがって、１つのＭＭＩＣのチャネルによってコヒーレント処理を実行するのが好ましい。たとえば方位角見積りは第１のＭＭＩＣの４つの受信チャネルを利用し、それに対して、仰角見積りについては第２のＭＭＩＣの４つの受信チャネルが利用される。このような種類のセンサ構造については、パッチアンテナの配置の図３に示す実施例を適用できるのが好ましい。この場合、仰角見積りは右側に配置された４つの受信アンテナ１８，１９，２０，２１によりＭＩＭＯ原理なしに行われ、その結果、同じく一義的な仰角見積りを広いアパーチャで、すなわち高い精度と高い分離能力で、具体化することができる。４通りの測定を適用できるので、１目標仰角見積りでも２目標仰角見積りでも、そのつど品質値を決定することができる。

これに加えて本実施形態では、検知されるべき物体の仰角をいっそう良好に判定するために、ＭＩＭＯ原理を仰角方向でも適用することができる。
そのために図３では、それぞれ多数のパッチ列とパッチ行を有し、水平方向に相並んで配置された２つの送信アンテナ（Ｔｘ）１０および１１が設けられている。さらに、同じく互いに水平方向にのみ変位した２つの別の送信アンテナ（Ｔｘ）１２，１３が図３の下側領域に配置されている。ただし、両方の送信アンテナ１０，１１および両方の他の送信アンテナ１２，１３の位相中心は、垂直方向で相互に変位している。これらは間隔ａだけ変位しているからである。そして仰角見積りのために、それぞれの送信アンテナのこの垂直方向の間隔が、受信アンテナ１８，１９，２０，２１の垂直方向のオフセットに追加して活用される。

さらに受信アンテナ（Ｒｘ）が設けられており、受信アンテナ（Ｒｘ）１４，１５，１６，１７，１８は同じく水平方向に相並んで配置されており、追加の受信アンテナ（Ｒｘ）１９，２０および２１はその位相中心に関して、水平方向に変位している受信アンテナ（Ｒｘ）１４から１８に対して垂直方向でも変位している。たとえば受信アンテナ（Ｒｘ）１９は、位相中心の垂直方向のオフセットｂ１を有する；垂直方向に変位している受信アンテナ１９に対して同じく垂直方向にのみ変位している受信アンテナ２０は、水平方向に相並んで配置されたアンテナ１４から１８に対してオフセットｂ２を有しており、一例として図示する受信アンテナ２１は、水平方向に配置された受信アンテナ１２から１８に対して位相中心の垂直方向へのオフセットｂ３を有する。図示している送信アンテナおよび受信アンテナ１０から２１の中央に、ＭＭＩＣまたは２つのカスケード化されたＭＭＩＣの場合には両方のＭＭＩＣを、アンテナ構造を担持する配線板の裏面または表面のいずれかに配置することができる領域２が示されている。この中央の領域では、個々の送信アンテナおよび受信アンテナへの引込回線がほぼ等しい長さになり、したがって、それぞれのチャネルを互いに位相同期させて設計することができるので、送信信号のコヒーレントな発射と受信信号のコヒーレント処理が可能になるからである。

送信アンテナおよび／または受信アンテナの特性、ならびにこれらの厳密な位置決めは、そのつどの用途に合わせて適合化することができ、特に、送信アンテナと受信アンテナの垂直方向のオフセットも相応に設計される。たとえば、垂直方向にオフセットされた送信アンテナが集束をするアンテナとして具体化されることによって、比較的広い到達範囲と１つの視界範囲だけを有するフロントセンサを具体化することができる。たとえば死角監視や隣接車線監視機能のために車両のコーナーでこのセンサが適用されるケースでは、たとえば全部の送信アンテナ１０から１３と全部の受信アンテナ１４から２１を幅広い発射特性で具体化することができる。

１ アンテナ構造
２ モノリシックマイクロ波集積回路
４ 第１のアンテナ
５ 第２のアンテナ
１０，１１ 第１の送信アンテナ
１２，１３ 第１の送信アンテナ
１４，１５，１６，１７ 第２の受信アンテナ
１８，１９，２０，２１ 第２の受信アンテナ

Claims (8)

1. 電磁放射を送信するＮ個の送信アンテナ（４）および電磁放射を受信するＭ個の受信アンテナ（５）を含むアンテナ構造（１）と、送信チャネルおよび受信チャネルの信号処理を行うモノリシックマイクロ波集積回路（２）とを備えるレーダーシステムであって、前記Ｎ個の送信アンテナ（４）および前記Ｍ個の受信アンテナ（５）はそれぞれ複数のパッチを備えるパッチアンテナとして構成され、前記Ｎ個の送信アンテナ（４）と前記Ｍ個の受信アンテナ（５）の検出領域にある物体がＭＩＭＯ原理に基づいて検知されるレーダーシステムにおいて、
   前記Ｎ個の送信アンテナ（４）は、互いに直交する送信信号を送信サイクルで発信し、
   ｎを１以上の整数として、前記Ｎ個の送信アンテナ（４）のうちＮ−ｎ個の送信アンテナ（１０，１１）は、水平方向に相並んで配置されるとともに、前記Ｎ個の送信アンテナ（４）のうち少なくともｎ個の送信アンテナ（１２，１３）は、水平方向に相並んで配置された前記Ｎ−ｎ個の送信アンテナ（１０，１１）に対してそれぞれ等しいオフセットをもって垂直方向にオフセットされて配置され、
   ｍを１以上の整数として、前記Ｍ個の受信アンテナ（５）のうちＭ−ｍ個の受信アンテナ（１４，１５，１６，１７）は、水平方向に相並んで配置されるとともに、前記Ｍ個の受信アンテナ（５）のうち少なくともｍ個の受信アンテナ（１９，２０，２１）は、水平方向に相並んで配置された前記Ｍ−ｍ個の受信アンテナ（１４，１５，１６，１７）に対して垂直方向にオフセットされて配置され、
   前記モノリシックマイクロ波集積回路（２）が、前記送信アンテナ（４）と前記受信アンテナ（５）の間の領域に配置され、
   前記ｎ個の送信アンテナ（１２，１３）は、水平方向に相並んで配置された前記Ｎ−ｎ個の送信アンテナ（１０，１１）に対して、前記モノリシックマイクロ波集積回路（２）を超えるオフセットで配置される
   ことを特徴とするレーダーシステム。
2. 水平方向に相並んで配置される前記Ｎ−ｎ個の送信アンテナ（１０，１１）に対してオフセットされて配置される前記ｎ個の送信アンテナ（１２，１３）は、ちょうど１つの送信アンテナである（ｎ＝１）
   ことを特徴とする、請求項１に記載のレーダーシステム。
3. 水平方向に相並んで配置される前記Ｍ−ｍ個の受信アンテナ（１４，１５，１６，１７）に対してオフセットされて配置される前記ｍ個の受信アンテナ（１９，２０，２１）は、ちょうど１つの受信アンテナである（ｍ＝１）
   ことを特徴とする、請求項１または２に記載のレーダーシステム。
4. 水平方向に相並んで配置される前記Ｍ−ｍ個の受信アンテナ（１４，１５，１６，１７）に対してオフセットされて配置される前記ｍ個の受信アンテナ（１９，２０，２１）は、水平方向に相並んで配置される前記Ｍ−ｍ個の受信アンテナ（１４，１５，１６，１７）に対してそれぞれ相違する垂直方向のオフセットを有する
   ことを特徴とする、請求項１または２に記載のレーダーシステム。
5. 前記Ｎ個の送信アンテナ（１０，１１，１２，１３）は、ちょうど３つまたはちょうど４つの送信アンテナである
   ことを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載のレーダーシステム。
6. 前記受信アンテナ（１４，１５，１６，１７，１８，１９，２０，２１）の個数Ｍは、３の整数倍である
   ことを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載のレーダーシステム。
7. 前記Ｍ個すべての受信アンテナ（５）が等しい個数と等しい配置のパッチを有する
   ことを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載のレーダーシステム。
8. 互いに直交する前記送信信号は時間マルチプレクス、コードマルチプレクス、または周波数マルチプレクスによって具体化される
   ことを特徴とする、請求項７に記載のレーダーシステム。

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