JP6985612B2 - レーダー装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーダー装置に関するものである。

距離や速度測定用のレーダー装置として、連続波レーダー装置が知られている。連続波レーダー装置は、送信信号とそれが目標物にて反射して戻ってきた信号（受信信号）との周波数の差を解析して、目標物のレーダー装置に対する移動速度や目標物までの距離を測定するものである。

このようなレーダー装置では、送信系と受信系とが同時に動作し、送信系から受信系へ信号が漏れることで測定精度が下がる。特にレーダー装置の小型化につれて、送信系と受信系との距離が近くなり、漏れ信号の影響が顕著となっている。

従来技術によれば、送信系から受信系への漏れ信号と同じ振幅で位相が反転した信号を、送信出力から取り出した信号に振幅調整と位相調整とを施して生成し、受信系の入力に加えることで、漏れ信号を打ち消そうとしている（特許文献１、２参照）。

特開２００７−７１７５１号公報 国際公開第２０１６／０３１１０８号

従来技術のように、送信系の出力から信号を取り出し、振幅調整と位相調整とを施し、その結果を受信系の入力に加えると、通常は互いに離間して配置される送信系から受信系への信号配線の引き回しが大きくなり、特にミリ波等の高周波信号を伝送線路で配線すると大きな配線面積が必要となる。

また、距離や速度だけでなく、角度も測定するレーダー装置は、複数の送信系回路と複数の受信系回路とを有することがある。この場合にも送信系回路と受信系回路との全ての組み合わせで漏れ信号を打ち消す信号を生成するには、送信系回路から受信系回路への信号配線の引き回しが錯綜し、面積大、かつ高周波の配線や回路が複雑になって実現困難である。

本発明の目的は、送信系から受信系への漏れ信号による測定精度の低下を小面積で効果的に抑圧したレーダー装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係るレーダー装置は、局部発振信号を出力する局部発振器と、送信系と、受信系とを備えたレーダー装置において、送信系は、局部発振信号を受ける送信用入力と、送信用入力を介して受けた局部発振信号に基づく送信信号を送出する手段とを有する。しかも、受信系は、送信用入力とは別に局部発振信号を受ける受信用入力と、送信信号に基づく反射波を受信する受信手段と、受信用入力を介して受けた局部発振信号に基づいてキャンセル信号を生成するキャンセル信号生成手段と、キャンセル信号を受信信号に重畳する重畳手段とを有することとしたものである。

本発明によれば、漏れ信号を打ち消すためのキャンセル信号が送信系の出力ではなく、送信系とは別に受信系が局部発振器から受けた信号をもとに生成されるので、通常は互いに離間して配置される送信系と受信系との間に信号配線を設ける必要がなく、漏れ信号のキャンセルを小面積で効果的に実現できる。

本発明の第１の実施形態に係るレーダー装置の回路ブロック図である。 図１中のＩＱ合成回路の詳細構成例を示す回路ブロック図である。 図２のＩＱ合成回路の動作を説明するためのベクトル図である。 図１の変形例に係るレーダー装置の回路ブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係るレーダー装置の回路ブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係るレーダー装置の平面図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

《第１の実施形態》
図１は、本発明の第１の実施形態に係るレーダー装置の回路ブロック図である。図１のレーダー装置は、送信系１００と、受信系１２０と、局部発振信号を出力する局部発振器（ＬＯ）１５０と、レーダー装置全体の制御を司るデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）１６０とを備え、送信系１００から受信系１２０への信号配線の引き回しなしに、受信信号中の漏れ信号を打ち消すものである。

送信系１００は、ＬＯ１５０から局部発振信号を受ける送信用入力１１０と、送信用入力１１０を介して受けた局部発振信号を増幅して送信信号を生成する電力増幅器（ＰＡ）１０１と、目標物へ向けて送信信号を電磁波として送出する送信アンテナ１０２とを有する。

受信系１２０は、送信用入力１１０とは別にＬＯ１５０から局部発振信号を受ける受信用入力１４０と、送信信号に基づく目標物からの反射波を受信するとともに送信アンテナ１０２から漏洩した漏れ信号を受けることがある受信アンテナ１２１とに加えて、合成器１２２と、ＩＱ生成回路１２４と、ＩＱ合成回路１２５と、ミキサ（ＭＩＸＩ，ＭＩＸＱ）１２６，１２７と、アナログデジタル変換（ＡＤＣ）回路１３４とを有する。

ＩＱ生成回路１２４は、受信用入力１４０を介して受けた局部発振信号から９０度の位相差のある局部発振信号、すなわちＬＯＩ信号及びＬＯＱ信号を生成する。ＩＱ合成回路１２５の入力は、ＩＱ生成回路１２４の出力から、例えば容量結合して取り出す。ＩＱ合成回路１２５は、ＬＯＩ信号及びＬＯＱ信号に基づき、かつＤＳＰ１６０から供給されたＩＱ合成調整信号ＡＤＪ１に応じてキャンセル信号（ＣＡＮ信号）を生成する。合成器１２２は、受信信号中の漏れ信号を打ち消すように、ＣＡＮ信号を受信信号に重畳する。ミキサ１２６，１２７は、ＬＯＩ信号及びＬＯＱ信号をもとに、合成器１２２の出力をＩ、Ｑ分離されたＩＦ信号、すなわちＩＦＩ信号及びＩＦＱ信号へ周波数変換（直交復調）する。ＡＤＣ回路１３４は、ＩＦＩ信号及びＩＦＱ信号の各々をデジタル信号に変換してＤＳＰ１６０に渡す。ＤＳＰ１６０は、ＡＤＣ回路１３４の出力をもとに、目標物からの反射波の解析によって、目標物までの距離や目標物の移動速度を算出してもよい。

ＤＳＰ１６０は、以上の通常動作に先立ってキャリブレーションモードの動作を実行する。すなわち、ＩＱ合成回路１２５のキャリブレーションのため、ＤＳＰ１６０への入力レベルが最小となるＩＱ合成調整信号ＡＤＪ１の設定を求め、その値をＤＳＰ１６０内のメモリに補正値として記憶する。通常動作時にはメモリ内の補正値から得たＩＱ合成調整信号ＡＤＪ１により、ＩＱ合成回路１２５の適切な調整を行うことができる。キャリブレーションは初期時だけでなく、定期的／不定期的に再度行ってもよい。定期的／不定期的に複数回行ったキャリブレーション結果を演算（例えば移動平均化）した結果を補正値としてもよい。

図２は、図１中のＩＱ合成回路１２５の詳細構成例を示している。図２のＩＱ合成回路１２５は、２つの可変利得増幅器（ＶＧＡ）２０３，２０４と、合成器２０５とを備えている。そして、一方のＶＧＡ２０３はＬＯＩ信号に基づく信号（＝容量結合を介してＣＬＯＩ端子に受けた信号）のレベルを調整し、他方のＶＧＡ２０４はＬＯＱ信号に基づく信号（＝容量結合を介してＣＬＯＱ端子に受けた信号）のレベルを調整する。これらの振幅調整されたＬＯＩ信号及びＬＯＱ信号が最後に合成器２０５で合成されて、ＣＡＮ信号が得られる。この際、両ＶＧＡ２０３，２０４の出力のレベル調整と、合成器２０５での加算又は減算の選択とが、ＩＱ合成調整信号ＡＤＪ１に応じてそれぞれ実施される。

図３は、図２のＩＱ合成回路１２５の動作を説明するためのベクトル図である。図２のＩＱ合成回路１２５によれば、互いに９０度の位相差を持つキャンセル信号Ｉ（＝ＬＯＩ信号に基づく信号）及びキャンセル信号Ｑ（＝ＬＯＱ信号に基づく信号）の各々の振幅を調整することにより、図３に示すように、漏れ信号と同振幅かつ逆位相のキャンセル信号Ｉ＋Ｑ（＝ＣＡＮ信号）を生成するのである。

以上のように、本実施形態によれば、送信系１００から受信系１２０への漏れ信号の逆相に相当するＣＡＮ信号を、ＬＯＩ信号及びＬＯＱ信号からＩＱ合成調整信号ＡＤＪ１に応じてＩＱ合成回路１２５で生成し、合成器１２２で当該ＣＡＮ信号を受信信号に重畳することで漏れ信号を取り除く。つまり、漏れ信号を打ち消すためのＣＡＮ信号が送信系１００の出力ではなく、送信系１００とは別に受信系１２０がＬＯ１５０から受けた局部発振信号をもとに生成されるので、通常は互いに離間して配置される送信系１００と受信系１２０との間に信号配線を設ける必要がなく、漏れ信号のキャンセルを小面積で効果的に実現できる。

しかも、ＤＳＰ１６０がキャリブレーション動作を実行することとしたので、ＩＱ合成回路１２５におけるＩＱ合成比を高精度に調整することで、漏れ信号を効果的に抑圧できる。

図４は、図１の変形例に係るレーダー装置の回路ブロック図である。図４では、合成器１２２とミキサ１２６，１２７との間に低雑音増幅器（ＬＮＡ）１２３が追加されている。また、ミキサ１２６，１２７とＡＤＣ回路１３４との間のＩＦＩ信号及びＩＦＱ信号の経路には、オフセット加算器１２８，１２９と、ＩＦ増幅器１３０，１３１と、フィルタ１３２，１３３とが追加されている。ＤＳＰ１６０は、残留ＤＣ成分を検出すると、検出した残留ＤＣ成分に応じたオフセット調整信号ＡＤＪ２をオフセット加算器１２８，１２９へ供給する。

図４の変形例によれば、ＬＮＡ１２３やＩＦ増幅器１３０，１３１により信号品質（Ｓ／Ｎ）が改善し、レーダー装置の探知（検知）範囲を広げられる。また、オフセット調整信号ＡＤＪ２によりオフセット調整することで、不要なＤＣ成分を抑圧し、探知性能を改善できる。更に、フィルタ１３２，１３３により不要な信号を除去し、探知性能を改善できる。

なお、図１及び図４の構成において、両ミキサ（ＭＩＸＩ，ＭＩＸＱ）１２６，１２７のうちのいずれか一方は、配設が省略可能であり、又は動作が停止可能である。これにより、レーダー装置の消費電力を低減することが可能になる。

また、各部を間欠動作させることでも、レーダー装置の消費電力を低減することが可能になる。

また、本発明をＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）レーダー装置に適用する場合には、次のようにしてもよい。すなわち、ＬＯ１５０は、周波数変調された局部発振信号を送信系１００及び受信系１２０へ供給するとともに、図１及び図４中に破線で示すように、周波数掃引中の時々刻々の周波数を示す周波数情報ＦＩをＤＳＰ１６０へ逐次供給する。ＤＳＰ１６０は、周波数情報ＦＩに応じてＩＱ合成調整信号ＡＤＪ１を調整する。周波数情報ＦＩに応じてＩＱ合成比を変更することで、ＩＱ合成回路１２５は、周波数変化に追従したＣＡＮ信号を生成することができる。これにより、送信周波数の変化によって漏れ信号の振幅及び位相が変化しても距離測定精度等の低下を抑制できる。

《第２の実施形態》
図５は、本発明の第２の実施形態に係るレーダー装置の回路ブロック図である。図５のレーダー装置は、各々図１中の送信系１００の構成を有する２つの送信系回路１００ａ，１００ｂと、各々図１中の受信系１２０の構成を有する４つの受信系回路１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄと、局部発振信号を出力するＬＯ１５０と、レーダー装置全体の制御を司るＤＳＰ１６０とを備える。ＤＳＰ１６０は、４つの受信系回路１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄの各々へＩＱ合成調整信号ＡＤＪ１ａ，ＡＤＪ１ｂ，ＡＤＪ１ｃ，ＡＤＪ１ｄを供給する。これにより、４つの受信系回路１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄは、それぞれＬＯ１５０から受けた局部発振信号をもとに、漏れ信号を打ち消すためのキャンセル信号を生成することができる。

従来技術によれば、２つの送信系回路１００ａ，１００ｂと、４つの受信系回路１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄとの全ての組み合わせ、すなわち８通りの組み合わせで漏れ信号を打ち消す信号を生成することが必要になり、送信系回路から受信系回路への信号配線の引き回しが錯綜してしまう。本実施形態によれば、この課題が解決される。

なお、図５中の４つの受信系回路１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄのうちの少なくとも１つは、図１又は図４中の受信系１２０の構成を有することとしてもよい。

《第３の実施形態》
図６は、本発明の第３の実施形態に係るレーダー装置の平面図である。また、図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ断面図である。図６及び図７に示したレーダー装置は、全回路がワンパッケージのレーダーモジュール３００として小型に構成されたレーダー装置であって、図１又は図４中の送信系１００の構成を有する１つの送信系回路と、各々図１又は図４中の受信系１２０の構成を有する４つの受信系回路と、局部発振信号を出力するＬＯと、レーダー装置全体の制御を司るＤＳＰとを備える。

図６及び図７には、平面アンテナである１つの送信アンテナ１０２と、各々平面アンテナである４つの受信アンテナ１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄと、矩形のパッケージ基板３０１と、半導体集積回路（ＬＳＩ）３０２と、半田ボール３０３とが示されている。ＬＳＩ３０２は、送信系回路のうちの送信アンテナ１０２を除いた部分と、４つの受信系回路のうちの受信アンテナ１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄを除いた部分と、ＬＯと、ＤＳＰとを含むものである。

ＬＳＩ３０２は、パッケージ基板３０１の中央に配置されている。受信アンテナ１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄは、パッケージ基板３０１の一辺に沿って、それぞれ送信周波数から知られる電磁波の波長λの１／２程度の間隔をもって均等に配列されている。送信アンテナ１０２は、受信アンテナ１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄからできるだけ離すように、パッケージ基板３０１の対向辺上に配置されている。

なお、レーダーモジュール３００のパッケージタイプは、ＢＧＡ（Ball Grid Array）、ＬＧＡ（Land Grid Array）、ファンアウトパッケージ等、いずれでもよい。また、少なくとも１つのアンテナは、複数の平面アンテナをアレイ状に配列したものや、ダイポールアンテナでもよい。

以上説明してきたとおり、本発明に係るレーダー装置は、送信系から受信系への漏れ信号による測定精度の低下を小面積で効果的に抑圧することができる効果を有し、距離や速度測定用のレーダー装置等として有用である。

１００ 送信系
１００ａ，１００ｂ 送信系回路
１０１ 電力増幅器（ＰＡ）
１０２ 送信アンテナ
１１０ 送信用入力
１２０ 受信系
１２０ａ〜１２０ｄ 受信系回路
１２１，１２１ａ〜１２１ｄ 受信アンテナ
１２２ 合成器
１２３ 低雑音増幅器（ＬＮＡ）
１２４ ＩＱ生成回路
１２５ ＩＱ合成回路
１２６，１２７ ミキサ（ＭＩＸＩ，ＭＩＸＱ）
１２８，１２９ オフセット加算器
１３０，１３１ ＩＦ増幅器
１３２，１３３ フィルタ
１３４ アナログデジタル変換（ＡＤＣ）回路
１４０ 受信用入力
１５０ 局部発振器（ＬＯ）
１６０ デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）
２０３，２０４ 可変利得増幅器（ＶＧＡ）
２０５ 合成器
３００ レーダーモジュール
３０１ パッケージ基板
３０２ 半導体集積回路（ＬＳＩ）
３０３ 半田ボール
ＡＤＪ１，ＡＤＪ１ａ〜ＡＤＪ１ｄ ＩＱ合成調整信号
ＡＤＪ２ オフセット調整信号
ＦＩ 周波数情報

Claims (17)

1. 局部発振信号を出力する局部発振器と、送信系と、受信系とを備えたレーダー装置であって、
   前記送信系は、
   前記局部発振信号を受ける送信用入力と、
   前記送信用入力を介して受けた前記局部発振信号に基づく送信信号を送出する手段とを有し、
   前記受信系は、
   前記送信用入力とは別に前記局部発振信号を受ける受信用入力と、
   前記送信信号に基づく反射波を受信する受信手段と、
   前記受信用入力を受けて９０度の位相差のある第１の局部発振信号及び第２の局部発振信号を生成するＩＱ生成回路と、
   前記ＩＱ生成回路で生成された前記第１の局部発振信号及び第２の局部発振信号に基づいてキャンセル信号を生成するキャンセル信号生成手段と、
   前記キャンセル信号を前記受信手段で受信された受信信号に重畳する重畳手段とを有するレーダー装置。
2. 請求項１記載のレーダー装置において、
   前記受信手段は周波数変換のためのミキサを有し、前記重畳手段は前記ミキサの前段で前記重畳を行うレーダー装置。
3. 請求項１記載のレーダー装置において、
   前記キャンセル信号生成手段は、前記第１の局部発振信号に基づくＩのキャンセル信号と、前記Ｉのキャンセル信号と９０度の位相差を有し、前記第２の局部発振信号に基づくＱのキャンセル信号の各々の振幅を調整するレーダー装置。
4. 請求項１記載のレーダー装置において、
   前記局部発振器は、周波数変調された局部発振信号を出力するレーダー装置。
5. 請求項４記載のレーダー装置において、
   前記キャンセル信号生成手段は、前記局部発振信号の周波数情報に応じて前記キャンセル信号を調整するレーダー装置。
6. 請求項１記載のレーダー装置において、
   前記受信手段は低雑音増幅器を有し、前記重畳手段は前記低雑音増幅器の前段で前記重畳を行うレーダー装置。
7. 請求項１記載のレーダー装置において、
   各々前記送信系の構成を有する少なくとも１つの送信系回路と、各々前記受信系の構成を有する複数の受信系回路とを備えたレーダー装置。
8. 請求項７記載のレーダー装置において、
   全回路がワンパッケージで構成されたレーダー装置。
9. 請求項８記載のレーダー装置において、
   前記複数の受信系回路が有する受信アンテナは、パッケージ基板上に配列された平面アンテナであるレーダー装置。
10. 局部発振信号を出力する局部発振器と、少なくとも１つの送信系回路と、複数の受信系回路とを備えたレーダー装置であって、
    前記送信系回路の各々は、
    前記局部発振信号を受ける送信用入力と、
    前記送信用入力を介して受けた前記局部発振信号に基づく送信信号を送出する手段とを有し、
    前記受信系回路の各々は、
    前記送信用入力とは別に前記局部発振信号を受ける受信用入力と、
    前記送信信号のうちの１つに基づく反射波を受信する受信手段と、
    前記受信用入力を受けて９０度の位相差のある第１の局部発振信号及び第２の局部発振信号を生成するＩＱ生成回路と、
    前記ＩＱ生成回路で生成された前記第１の局部発振信号及び第２の局部発振信号に基づいてキャンセル信号を生成するキャンセル信号生成手段と、
    前記キャンセル信号を前記受信手段で受信された受信信号に重畳する重畳手段とを有するレーダー装置。
11. 請求項１０記載のレーダー装置において、
    前記受信手段は周波数変換のためのミキサを有し、前記重畳手段は前記ミキサの前段で前記重畳を行うレーダー装置。
12. 請求項１０記載のレーダー装置において、
    前記キャンセル信号生成手段は、前記第１の局部発振信号に基づくＩのキャンセル信号と、前記Ｉのキャンセル信号と９０度の位相差を有し、前記第２の局部発振信号に基づくＱのキャンセル信号の各々の振幅を調整するレーダー装置。
13. 請求項１０記載のレーダー装置において、
    前記局部発振器は、周波数変調された局部発振信号を出力するレーダー装置。
14. 請求項１３記載のレーダー装置において、
    前記キャンセル信号生成手段は、前記局部発振信号の周波数情報に応じて前記キャンセル信号を調整するレーダー装置。
15. 請求項１０記載のレーダー装置において、
    前記受信手段は低雑音増幅器を有し、前記重畳手段は前記低雑音増幅器の前段で前記重畳を行うレーダー装置。
16. 請求項１０記載のレーダー装置において、
    全回路がワンパッケージで構成されたレーダー装置。
17. 請求項１６記載のレーダー装置において、
    前記複数の受信系回路が有する受信アンテナは、パッケージ基板上に配列された平面アンテナであるレーダー装置。

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