JP7242441B2

JP7242441B2 - レーダ装置

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Publication number: JP7242441B2
Application number: JP2019116262A
Authority: JP
Inventors: 徳男中條
Original assignee: Hitachi Astemo Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2019-06-24
Filing date: 2019-06-24
Publication date: 2023-03-20
Anticipated expiration: 2039-06-24
Also published as: WO2020261922A1; EP3988960A1; JP2021001834A; EP3988960A4

Description

本発明は、レーダ装置に関する。

近年、運転者のサポートや自動運転を実現するために、自動車の周囲を検出するレーダ装置の採用が進められている。こうしたレーダ装置は一般に、送信アンテナから電波を照射し、ターゲットで反射された電波を送信アンテナとは別に設けられた受信アンテナで受信して、ターゲットの位置や速度を算出する。

自動車用のレーダ装置では、自動車の周囲を広くセンシングする必要から、なるべく広い視野角が求められている。しかしながら、視野角の広角化のために送信アンテナからの電波の照射範囲を広げると、その電波の一部がアンテナを保護するために設置されたカバー（レドーム）で反射され、受信アンテナに入射されることがある。レドームからの反射波は、レーダ装置におけるターゲットの検出性能の劣化につながる。したがって、自動車用のレーダ装置では、視野角の広角化と、レドームからの反射波の低減との両立が求められている。

上記に関する背景技術として、例えば下記の特許文献１が知られている。特許文献１では、アンテナを内部に格納するレドームにおいて、反射の大きい部分に多層誘電体層からなる相殺層と整合層を設けることで、レドームからの反射波を相殺し、かつ反射波そのものの発生も抑圧する技術が開示されている。

特開２００４－２００８９５号公報

特許文献１の技術では、レドームからの反射波を低減することは可能であるが、視野角の広角化に対する効果は得られない。そのため、視野角の広角化と、レドームからの反射波の低減との両立は困難である。

本発明によるレーダ装置は、物体に向けて電波を放射する送信アンテナと、前記送信アンテナから放射された前記電波が前記物体で反射された反射波を受信する受信アンテナと、前記送信アンテナおよび前記受信アンテナを覆うレドームと、を備え、前記レドームは、第１の層と、前記第１の層より前記送信アンテナおよび前記受信アンテナに近い位置に配置された第２の層とを有し、前記レドームの前記第２の層は、前記第１の層より誘電率が低く、前記送信アンテナに対応する位置において、前記送信アンテナの電波放射方向に凸となる凸部を有し、前記レドームの前記第１の層は、前記第２の層の前記凸部に対応する位置に、凹部または貫通孔を有し、前記凸部は、レンズ状の形状を有する。

本発明によれば、視野角の広角化と、レドームからの反射波の低減とを両立することができる。

本発明の第１の実施形態に係るレーダ装置を示す図レーダ装置の自動車への搭載例を示す図本発明の第１の実施形態に係るレーダ装置におけるアンテナ利得を示す図比較例に係るレーダ装置を示す図比較例に係るレーダ装置におけるアンテナ利得を示す図本発明の第２の実施形態に係るレーダ装置を示す図本発明の第３の実施形態に係るレーダ装置を示す図本発明の第４の実施形態に係るレーダ装置を示す図

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。

図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

同一あるいは同様な機能を有する構成要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。ただし、これらの複数の構成要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。

以下では、本発明の実施形態に係るレーダ装置について、図面を用いて説明する。

（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装置１を示す図である。図１（ａ）は、本実施形態に係るレーダ装置１の平面透視図であり、図１（ｂ）は、本実施形態に係るレーダ装置１の断面図である。

図１に示すように、本実施形態のレーダ装置１には、アンテナ基板５の上に送信アンテナ３および受信アンテナ４が搭載されている。送信アンテナ３は、ターゲットの物体に向けて電波を放射し、受信アンテナ４は、送信アンテナ３から放射された電波がターゲットの物体で反射された反射波を受信する。送信アンテナ３および受信アンテナ４は、例えば図１（ａ）に示したように、複数のアンテナ素子を直線状に並べて配置したアレイアンテナによってそれぞれ構成される。なお、アレイアンテナ以外のアンテナを用いて送信アンテナ３および受信アンテナ４を構成してもよい。

送信アンテナ３には、送信アンテナ３へ変調された信号を送り、送信アンテナ３に電波を放射させる送信回路６が接続されている。受信アンテナ４には、受信アンテナ４が受信したターゲットからの反射波を増幅および復調して受信信号を生成する受信回路７と、受信信号からターゲットの位置や速度を算出する信号処理回路８とが接続されている。

また、本実施形態のレーダ装置１には、送信アンテナ３および受信アンテナ４を保護するためのカバー（レドーム）２が、これらのアンテナを覆うように設置されている。このレドーム２は、電波を透過する材料、例えば樹脂等を用いて構成されている。なお、図１（ａ）ではレーダ装置１の内部構造が分かるように、レドーム２の一部を透過させて、送信アンテナ３、受信アンテナ４およびアンテナ基板５を図示している。

本実施形態では、レドーム２は、第１の層２ａと、第１の層２ａに接し、第１の層２ａよりアンテナ基板５に近い位置、すなわち送信アンテナ３および受信アンテナ４に近い位置に配置された第２の層２ｂとを有する。第２の層２ｂは、第１の層２ａより誘電率が低い材料を用いて形成される。

図１（ｂ）に示すように、第２の層２ｂは、送信アンテナ３に対応する位置、すなわち送信アンテナ３の直上に当たる位置において、送信アンテナ３の電波放射方向に凸となるレンズ状形状の凸部２ｃを有する。一方、第１の層２ａは、第２の層２ｂの凸部２ｃに対応する位置に、送信アンテナ３の電波放射方向に凹んだ形状の凹部２ｄを有する。凸部２ｃと凹部２ｄが互いに嵌合し合うことで、第１の層２ａと第２の層２ｂが重なり合った状態で、レドーム２を表面、裏面ともにフラットとすることができる。

図１（ｂ）において、送信アンテナ３によるレーダ装置１の視野角を符号３０に示す範囲とすると、第２の層２ｂの凸部２ｃの幅は、この視野角３０の範囲内に配置されることが好ましい。なお、視野角３０とは、レーダ装置１において信号処理回路８が受信信号に基づいてターゲットの物体を検出可能な範囲であり、送信アンテナ３および受信アンテナ４の利得や、送信回路６から送信アンテナ３へ出力される信号の大きさ等に応じて決定される。

図２は、レーダ装置１の自動車への搭載例を示す図である。レーダ装置１は、自動車である車両１００の左前方に存在する障害物等を検出するために、例えば図２に示す位置において、ｚ軸を車両１００の左斜め前方向に向けて搭載される。これにより、例えば視野角３０の角度を２θとすると、車両１００の左前方を中心として左右でそれぞれθの角度範囲内に存在する物体が、レーダ装置１により検出される。

なお、図２では車両１００におけるレーダ装置１の搭載位置の一例を示しており、他の位置に搭載してもよい。また、複数台のレーダ装置１を車両１００において別々の位置にそれぞれ搭載してもよい。

次に、レドーム２における第１の層２ａ、第２の層２ｂおよび第２の層２ｂの凸部２ｃの効果について説明する。図３は、本発明の第１の実施形態に係るレーダ装置１におけるアンテナ利得の電磁界解析結果を示す図である。また、図４は、比較例に係るレーダ装置１０を示す断面図であり、図５は、比較例に係るレーダ装置１０におけるアンテナ利得の電磁界解析結果を示す図である。図４に示す比較例では、レーダ装置１０においてレドーム２０は均一の材料で構成されている。これ以外の点は、図１に示したレーダ装置１と同様の構造を有している。

図４に示す比較例のレーダ装置１０では、レドーム２０は均一の材料で構成されているため、送信アンテナ３から放射される電波は、アンテナ面の法線方向に対応する０°付近において電波強度が最も強く、そこから角度が大きくなるにつれてなだらかに電波強度が弱くなる電界分布となる。その結果、送信アンテナ３を比較例のレドーム２０と組み合わせたときのアンテナ利得は、図５に示すように、０°付近を頂点としてなだらかに減少する形状となる。このアンテナ利得によるレーダ装置１０の視野角３１は、約±５０°である。

一方、図１に示した本実施形態のレーダ装置１では、レドーム２に設けられた第１の層２ａによる高い誘電率の凹部２ｄと、第２の層２ｂによる低い誘電率の凸部２ｃとが組み合わされて、送信アンテナ３から放射される電波に対する凹レンズとして機能する。この凹レンズの効果により、送信アンテナ３から放射される電波は、アンテナ面の法線方向から周囲に向けて分散され、凸部２ｃおよび凹部２ｄの周辺において強い電界分布となる。その結果、送信アンテナ３を本実施形態のレドーム２と組み合わせたときのアンテナ利得は、図３に示すように、０°付近を中心に広角度方向に広がる台形状となる。これは、図５に示した比較例のアンテナ利得と比べて、－５０°以下および＋５０°以上の領域で２～３ｄＢ程度の利得が増えている。このアンテナ利得によるレーダ装置１の視野角３０は約±７０°であり、比較例の約±５０°と比べて大きく広がっていることが分かる。

また、比較例のレーダ装置１０では、レドーム２０が誘電率の比較的高い均一の材料で構成されているため、送信アンテナ３から放射される電波の一部が、空気との誘電率の差によりレドーム２０で反射されて、受信アンテナ４付近に強い電界分布が生じる。このレドーム２０による反射波がターゲットからの反射波と混ざり合って受信アンテナ４で受信されることにより、比較例のレーダ装置１０では検出性能が劣化する。

一方、本実施形態のレーダ装置１では、レドーム２が誘電率の異なる複数の層、すなわち第１の層２ａおよび第２の層２ｂで構成され、誘電率が低い方の層である第２の層２ｂが送信アンテナ３および受信アンテナ４に近い位置に配置される。第２の層２ｂは誘電率が比較的低く、空気との誘電率差が小さいため、送信アンテナ３から放射された電波が最初に第２の層２ｂに当たることで、レドーム２からの反射波の強度が小さくなる。したがって、送信アンテナ３から放射される電波が受信アンテナ４の方向に反射されるのを抑制し、受信アンテナ４付近に強い電界分布が生じないようにすることができる。なお、第２の層２ｂの厚みは、送信アンテナ３から放射される電波の波長の１／２の整数倍にすることが望ましい。

以上説明したように、本実施形態のレーダ装置１では、レドーム２を互いに異なる比誘電率を持つ２つの層２ａ、２ｂで構成し、第２の層２ｂで送信アンテナ３および受信アンテナ４に相対する位置において、送信アンテナ３の電波放射方向に凸となる凸部２ｃを設けたことにより、視野角の広角化と、レドーム２からの反射波の低減とを両立することができる。

以上説明した本発明の第１の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

（１）レーダ装置１は、ターゲットの物体に向けて電波を放射する送信アンテナ３と、送信アンテナ３から放射された電波が物体で反射された反射波を受信する受信アンテナ４と、送信アンテナ３および受信アンテナ４を覆うレドーム２とを備える。レドーム２は、第１の層２ａと、第１の層２ａより送信アンテナ３および受信アンテナ４に近い位置に配置された第２の層２ｂとを有する。レドーム２の第２の層２ｂは、第１の層２ａより誘電率が低く、送信アンテナ３に対応する位置において、送信アンテナ３の電波放射方向に凸となる凸部２ｃを有する。レドーム２の第１の層２ａは、第２の層２ｂの凸部２ｃに対応する位置に、凹部２ｄを有する。このようにしたので、視野角の広角化と、レドーム２からの反射波の低減とを両立することができる。

（２）凸部２ｃは、レンズ状の形状を有する。そのため、凸部２ｃと凹部２ｄを組み合わせて凹レンズとして機能させ、送信アンテナ３から放射される電波を、アンテナ面の法線方向から周囲に向けて効果的に分散させ、視野角の広角化を図ることができる。

（３）レーダ装置１は、受信アンテナ４が受信した反射波に基づいてターゲットの物体を検出する信号処理回路８をさらに備える。レドーム２において、第２の層２ｂの凸部２ｃと、第１の層２ａの凹部２ｄとは、信号処理回路８が物体を検出可能な視野角３０の範囲内に配置されることが好ましい。このようにすれば、送信アンテナ３から放射される電波に対して凸部２ｃと凹部２ｄを凹レンズとして効果的に機能させ、視野角を効果的に広げることができる。

（４）レドーム２の第２の層２ｂの厚みは、送信アンテナ３から放射される電波の波長の１／２の整数倍にすることが望ましい。このようにすれば、送信アンテナ３から放射される電波のレドーム２での反射を効果的に低減することができる。

（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係るレーダ装置１を示す図である。図６（ａ）は、本実施形態に係るレーダ装置１の平面透視図であり、図６（ｂ）は、本実施形態に係るレーダ装置１の断面図である。本実施形態のレーダ装置１では、レドーム２の第１の層２ａにおいて、第２の層２ｂの凸部２ｃに対応する位置に、図１の凹部２ｄの代わりに貫通孔２ｅが設けられている。すなわち、本実施形態におけるレドーム２は、表面方向から見たときに、貫通孔２ｅが設けられている部分に第２の層２ｂが露出している。これ以外の点は、図１に示した第１の実施形態のレーダ装置１と同様の構造を有している。

本実施形態のレーダ装置１でも、第１の実施形態と同様に、レドーム２に設けられた第１の層２ａの貫通孔２ｅと、第２の層２ｂによる低い誘電率の凸部２ｃとが組み合わされて、送信アンテナ３から放射される電波に対する凹レンズとして機能する。したがって、視野角３０の広角化が可能となる。また、誘電率が低い方の層である第２の層２ｂが送信アンテナ３および受信アンテナ４に近い位置に配置されており、送信アンテナ３から放射された電波が最初に第２の層２ｂに当たることで、レドーム２からの反射が抑制される。したがって、レドーム２からの反射波の低減が可能となる。

（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態に係るレーダ装置１を示す図である。図７（ａ）は、本実施形態に係るレーダ装置１の平面透視図であり、図７（ｂ）は、本実施形態に係るレーダ装置１の断面図である。本実施形態のレーダ装置１では、レドーム２において第１の層２ａと第２の層２ｂの間に、さらに中間層２ｆが形成されている。この中間層２ｆの誘電率は、第１の層２ａより低く、第２の層２ｂより高い。すなわち、本実施形態におけるレドーム２は、第１の層２ａ、第２の層２ｂおよび中間層２ｆからなる、互いに誘電率が異なる３種類の層を有し、送信アンテナ３に近い位置に配置された層ほど誘電率が低くなるように形成されている。これ以外の点は、図１に示した第１の実施形態のレーダ装置１と同様の構造を有している。

本実施形態のレーダ装置１でも、第１の実施形態と同様に、レドーム２に設けられた第１の層２ａによる高い誘電率の凹部２ｄと、第２の層２ｂによる低い誘電率の凸部２ｃとが組み合わされて、送信アンテナ３から放射される電波に対する凹レンズとして機能する。したがって、視野角３０の広角化が可能となる。また、誘電率が最も低い層である第２の層２ｂと、次に誘電率が低い層である中間層２ｆとが、送信アンテナ３および受信アンテナ４に近い位置から順に配置されており、送信アンテナ３から放射された電波が最初に第２の層２ｂに当たり、次に中間層２ｆに当たることで、レドーム２からの反射が抑制される。したがって、レドーム２からの反射波の低減が可能となる。

（第４の実施形態）
図８は、本発明の第４の実施形態に係るレーダ装置１を示す断面図である。本実施形態のレーダ装置１では、レドーム２において第１の層２ａと第２の層２ｂに加えて、さらに第３の層２ｇが形成されている。この第３の層２ｇは、第１の層２ａより低い誘電率を有しており、第１の層２ａより表面側に形成されている。すなわち、本実施形態におけるレドーム２は、第１の層２ａより誘電率が低い第３の層２ｇをさらに有し、第２の層２ｂと第３の層２ｇの間に挟まれて第１の層２ａが形成されている。これ以外の点は、図１に示した第１の実施形態のレーダ装置１と同様の構造を有している。

本実施形態のレーダ装置１では、第３の層２ｇにより、レーダ装置１が搭載された車両１００のバンパ９からの反射波がレドーム２の表面側で再反射されるのを抑制することができる。そのため、バンパ９からの反射波が送信アンテナ３から放射された電波と干渉してアンテナゲインのパターンが乱れることにより、レーダ装置１の検出性能が劣化するのを防ぐことができる。

以上説明した本発明の第２～第４の各実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。

なお、第３の実施形態では、第１の層２ａと第２の層２ｂの間に、中間層２ｆを１層だけ設けた例を説明したが、２つ以上の層を第１の層２ａと第２の層２ｂの間に中間層として形成してもよい。その場合、第１の層２ａ、第２の層２ｂおよび中間層の各層は、送信アンテナ３に近い位置に配置された層ほど誘電率が低くなるように形成されることが好ましい。このようにしても、上記と同様の作用効果を得ることができる。

また、第１～第４の各実施形態において、第２の層２ｂの凸部２ｃは、送信アンテナ３の直上からずらした位置に配置しても構わない。凸部２ｃの位置をずらすことにより、レーダ装置１の視野角をプラス方向またはマイナス方向に偏らせることができるため、車へのレーダ装置１の設置位置の自由度を上げることができる。

以上説明した各実施形態や各種変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。また、上記では種々の実施形態や変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１…レーダ装置、２…カバー（レドーム）、２ａ…第１の層、２ｂ…第２の層、２ｃ…凸部、２ｄ…凹部、２ｅ…貫通孔、２ｆ…中間層、２ｇ…第３の層、３…送信アンテナ、４…受信アンテナ、５…アンテナ基板、６…送信回路、７…受信回路、８…信号処理回路

Claims

物体に向けて電波を放射する送信アンテナと、
前記送信アンテナから放射された前記電波が前記物体で反射された反射波を受信する受信アンテナと、
前記送信アンテナおよび前記受信アンテナを覆うレドームと、を備え、
前記レドームは、第１の層と、前記第１の層より前記送信アンテナおよび前記受信アンテナに近い位置に配置された第２の層とを有し、
前記レドームの前記第２の層は、前記第１の層より誘電率が低く、前記送信アンテナに対応する位置において、前記送信アンテナの電波放射方向に凸となる凸部を有し、
前記レドームの前記第１の層は、前記第２の層の前記凸部に対応する位置に、凹部または貫通孔を有し、
前記凸部は、レンズ状の形状を有することを特徴とするレーダ装置。
請求項１に記載のレーダ装置において、
前記レドームは、前記第１の層および前記第２の層を含む、互いに誘電率が異なる３種類以上の層を有し、前記送信アンテナに近い位置に配置された層ほど誘電率が低くなるように形成されていることを特徴とするレーダ装置。
請求項１に記載のレーダ装置において、
前記レドームは、前記第１の層より誘電率が低い第３の層をさらに有し、前記第２の層と前記第３の層の間に挟まれて前記第１の層が形成されていることを特徴とするレーダ装置。