JP2019075597A - アンテナ装置、アンテナアレイ、レーダ装置、およびレーダシステム - Google Patents

Abstract

【課題】従来とは異なる構造を有する新規なアンテナアレイを提供する。【解決手段】アンテナアレイは、複数の放射素子によって電磁波の送信および受信の少なくとも一方を行う。前記アンテナアレイは、積層された複数の導波路コンポーネントを備える。各導波路コンポーネントは、導電性表面を有する導電部材と、前記導電性表面に対向する導電性の導波面を有する少なくとも１つの導波部材と、前記導波部材の両側の人工磁気導体とを有する。前記導波面と前記導電性表面との間の導波間隙は、前記導波面の端部において外部空間に開放され、前記複数の放射素子の１つを規定する。【選択図】図１２Ａ

Description

本開示は、アンテナ装置、アンテナアレイ、レーダ装置、およびレーダシステムに関する。

線上または面上に複数の放射素子（以下、「アンテナ素子」とも称する。）が配列されたアンテナアレイ（以下、「アレーアンテナ」とも称する。）が、様々な用途、例えばレーダおよび通信システムに利用されている。アレーアンテナから電磁波を放射するには、電磁波を生成する回路から各アンテナ素子に電磁波（例えば高周波信号）を供給（給電）する必要がある。このような給電は、導波路を介して行われる。導波路は、アンテナ素子で受けた電磁波を受信回路に送るためにも用いられる。

従来、アレーアンテナへの給電には、マイクロストリップ線路が用いられることが多かった。しかし、アレーアンテナによって送信または受信する電磁波の周波数が、例えばミリ波帯域のように３０ギガヘルツ（ＧＨｚ）を超える高い周波数である場合、マイクロストリップ線路の誘電体損失が大きくなり、アンテナの効率が低下する。このため、このような高周波領域では、マイクロストリップ線路に代わる導波路が必要になる。

マイクロストリップ線路に代わる導波路構造として、特許文献１から３、ならびに非特許文献１および２は、リッジ型導波路の両側に配置された人工磁気導体（ＡＭＣ: Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を利用して電磁波の導波を行う構造を開示している。

国際公開第２０１０／０５０１２２号 米国特許第８８０３６３８号明細書 欧州特許出願公開第１３３１６８８号明細書

Kirino et al., "A 76 GHz Multi-Layered Phased Array Antenna Using a Non-Metal Contact Metamaterial Waveguide", IEEE Transaction on Antennas and Propagation, Vol. 60, No. 2, February 2012, pp 840-853 Kildal et al., "Local Metamaterial-Based Waveguides in Gaps Between Parallel Metal Plates", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 8, 2009, pp84-87

本開示は、新規な構造を備えたアンテナアレイを提供する。さらに、本開示は、新規な構造を備えたアンテナ装置を提供する。

本開示の一態様に係るアンテナ装置は、放射素子によって電磁波の送信および受信の少なくとも一方を行う。前記アンテナ装置は、導電性表面を有する導電部材と、前記導電性表面に対向する導電性の導波面を有する少なくとも１つの導波部材と、前記導波部材の両側の人工磁気導体と、を備える。前記導波部材における前記導波面は、前記導電性表面に沿って延びるストライプ形状を有する。前記導波面と前記導電性表面との間の導波間隙は、前記導波面の端部において外部空間に開放され、前記放射素子を規定する（define）。

本開示の他の態様に係るアンテナアレイは、複数の放射素子によって電磁波の送信および受信の少なくとも一方を行う。前記アンテナアレイは、積層された（stacked）複数の導波路コンポーネントを備える。各導波路コンポーネントは、導電性表面を有する導電部材と、前記導電性表面に対向する導電性の導波面を有する少なくとも１つの導波部材と、前記導波部材の両側の人工磁気導体と、を有する。前記導波部材における前記導波面は、前記導電性表面に沿って延びるストライプ形状を有する。前記導波面と前記導電性表面との間の導波間隙は、前記導波面の端部において外部空間に開放され、前記複数の放射素子の１つを規定する（define）。

本開示の実施形態によれば、マイクロストリップ線路を用いた場合と比較して、低損失のアンテナ装置またはアンテナアレイを実現することができる。

図１は、導波路装置が備える基本構成の限定的ではない例を模式的に示す斜視図である。 図２Ａは、導波路装置１００のＸＺ面に平行な断面の構成を模式的に示す図である。 図２Ｂは、導波路装置１００のＸＺ面に平行な断面の他の構成を模式的に示す図である。 図３は、わかりやすさのため、導電部材１１０と導電部材１２０との間隔を極端に離した状態にある導波路装置１００を模式的に示す斜視図である。 図４は、図２に示す構造における各部材の寸法の範囲の例を示す図である。 図５Ａは、導波部材１２２の上面である導波面１２２ａのみが導電性を有し、導波部材１２２の導波面１２２ａ以外の部分は導電性を有していない構造の例を示す断面図である。 図５Ｂは、導波部材１２２が導電部材１２０上に形成されていない変形例を示す図である。 図５Ｃは、導電部材１２０、導波部材１２２、および複数の導電性ロッド１２４の各々が、誘電体の表面に金属などの導電性材料がコーティングされた構造の例を示す図である。 図５Ｄは、導電部材１１０、１２０、導波部材１２２、および導電性ロッド１２４の各々の最表面に、誘電体の層１１０ｂ、１２０ｂを有する構造の例を示す図である。 図５Ｅは、導電部材１１０、１２０、導波部材１２２、および導電性ロッド１２４の各々の最表面に、誘電体の層１１０ｂ、１２０ｂを有する構造の他の例を示す図である。 図５Ｆは、導波部材１２２の高さが導電性ロッド１２４の高さよりも低く、導電部材１１０の導電性表面１１０ａのうち、導波面１２２ａに対向する部分が、導波部材１２２の側に突出している例を示す図である。 図６Ａは、導電部材１１０の導電性表面１１０ａが曲面形状を有する例を示す図である。 図６Ｂは、さらに、導電部材１２０の導電性表面１２０ａも曲面形状を有する例を示す図である。 図７Ａは、導波部材１２２の導波面１２２ａと導電部材１１０の導電性表面１１０ａとの間隙における幅の狭い空間を伝搬する電磁波を模式的に示している。 図７Ｂは、中空導波管１３０の断面を模式的に示す図である。 図７Ｃは、導電部材１２０上に２個の導波部材１２２が設けられている形態を示す断面図である。 図７Ｄは、２つの中空導波管１３０を並べて配置した導波路装置の断面を模式的に示す図である。 図８Ａは、ＷＲＧの構造を利用したスロットアレーアンテナ２００（比較例）の構成の一部を模式的に示す斜視図である。 図８Ｂは、スロットアレーアンテナ２００におけるＸ方向に並ぶ２つのスロット１１２の中心を通るＸＺ面に平行な断面の一部を模式的に示す図である。 図９Ａは、本開示の例示的な実施形態におけるアンテナ装置３００を模式的に示す斜視図である。 図９Ｂは、アンテナ装置３００を−Ｙ方向から見た図である。 図９Ｃは、２つの導波部材１２２の端部が外部空間に開放されている例を示す断面図である。 図１０Ａは、本開示の例示的な実施形態におけるアンテナアレイ４００の構造を模式的に示す斜視図である。 図１０Ｂは、わかり易さのため、第１の導電部材３１０Ａと第２の導電部材３１０Ｂとの間隔、および第２の導電部材３１０Ｂと第３の導電部材３１０Ｃとの間隔を極端に離した状態にあるアンテナアレイ４００を模式的に示す斜視図である。 図１１Ａは、アンテナアレイ４００を−Ｙ方向から見た図である。 図１１Ｂは、アンテナアレイ４００においてＺ方向に並ぶ２つの導波部材１２２Ａ、１２２Ｂを通り、ＹＺ面に平行な断面の構成を模式的に示す図である。 図１２Ａは、本開示の実施形態１におけるアンテナアレイ４００Ａの構造の一部を示す断面図である。 図１２Ｂは、アンテナアレイ４００を、−Ｙ方向から見た図である。 図１３Ａは、放射器３３０の第１部分を拡大して示す図である。 図１３Ｂは、放射器３３０の変形例を示す図である。 図１４Ａは、第１の導波路コンポーネント３５０Ａの構造を模式的に示す平面図である。 図１４Ｂは、第２の導波路コンポーネント３５０Ｂの構造を模式的に示す平面図である。 図１４Ｃは、第３の導波路コンポーネント３５０Ｃの構造を模式的に示す平面図である。 図１４Ｄは、第４の導波路コンポーネント３５０Ｄの構造を模式的に示す平面図である。 図１５Ａは、各導波壁１４６およびその内部の貫通孔の構造を説明するための図である。 図１５Ｂは、各ポート１４５および各導波壁１４６の形状の他の例を示す図である。 図１５Ｃは、各ポート１４５および各導波壁１４６の形状のさらに他の例を模式的に示す図である。 図１５Ｄは、導波壁１４６の他の構成例を示す図である。 図１６は、図１４Ｄに示す導電部材３１０Ｅの背面側（−Ｚ方向側）に配置される導電部材３１０Ｆの構成を模式的に示す上面図である。 図１７Ａは、実施形態１の変形例におけるアンテナアレイ４００Ｂを示す断面図である。 図１７Ｂは、実施形態１の他の変形例を示す図である。 図１８は、実施形態２におけるアンテナアレイ４００Ｃを示す断面図である。 図１９Ａは、実施形態２におけるアンテナアレイ４００Ｃの構造の一部を模式的に示す斜視図である。 図１９Ｂは、わかり易さのため、図１９Ａに示す構造から導電部材３１０Ｂを除いた構造を示している。 図２０は、実施形態２の変形例を示す断面図である。 図２１Ａは、アンテナアレイにおける隣接する２つの導波路コンポーネント３５０Ａ、３５０Ｂの、ＹＺ面に平行な断面の構成の第１の例を示す図である。 図２１Ｂは、アンテナアレイにおける隣接する２つの導波路コンポーネント３５０Ａ、３５０Ｂの、ＹＺ面に平行な断面の構成の第２の例を示す図である。 図２１Ｃは、アンテナアレイにおける隣接する２つの導波路コンポーネント３５０Ａ、３５０Ｂの、ＹＺ面に平行な断面の構成の第３の例を示す図である。 図２２Ａは、図２１Ａに示す構成におけるＸＺ面に平行な断面を示す図である。 図２２Ｂは、図２１Ｂに示す構成におけるＸＺ面に平行な断面を示す図である。 図２２Ｃは、図２１Ｃに示す構成におけるＸＺ面に平行な断面を示す図である。 図２３Ａは、図２２Ａに示す構成において、導波部材１２２Ａ、１２２Ｂの数を３個に増加させた構成を示している。 図２３Ｂは、図２２Ｂに示す構成において、導波部材１２２Ａ、１２２Ｂの数を３個に増加させた構成を示している。 図２３Ｃは、図２２Ｃに示す構成において、導波部材１２２Ａ、１２２Ｂの数を３個に増加させた構成を示している。 図２４Ａは、各導波路コンポーネント３５０が１つの導波部材１２２を備え、導波部材１２２のＸ方向の位置が導波路コンポーネント３５０Ａ、３５０Ｂによって異なっている例を示している。 図２４Ｂは、各導波路コンポーネント３５０が３つの導波部材１２２を備え、導波部材１２２のＸ方向の位置が導波路コンポーネント３５０Ａ、３５０Ｂによって異なっている例を示している。 図２５は、図２４Ｂに示す例から、さらに導波部材１２２の数を増加させたアンテナアレイの一例を示している。 図２６は、複数の放射素子が一次元に配列されたアンテナアレイの一例を示している。 図２７Ａは、ある実施形態におけるアンテナアレイの隣接する２つの導波路コンポーネント３５０Ａ、３５０Ｂの構造の一部を示す断面図である。 図２７Ｂは、複数の放射素子３２０Ａ、３２０Ｂが、Ｙ方向に垂直な平面に対して傾斜した平面上に配列された例を示している。 図２８は、自車両５００と、自車両５００と同じ車線を走行している先行車両５０２とを示す。 図２９は、自車両５００の車載レーダシステム５１０を示す。 図３０Ａは、車載レーダシステム５１０のアレーアンテナＡＡと、複数の到来波ｋとの関係を示している。 図３０Ｂは、ｋ番目の到来波を受信するアレーアンテナＡＡを示している。 図３１は、本開示による車両走行制御装置６００の基本構成の一例を示すブロック図である。 図３２は、車両走行制御装置６００の構成の他の例を示すブロック図である。 図３３は、車両走行制御装置６００のより具体的な構成の例を示すブロック図である。 図３４は、本応用例におけるレーダシステム５１０のより詳細な構成例を示すブロック図である。 図３５は、三角波生成回路５８１が生成した信号に基づいて変調された送信信号の周波数変化を示している。 図３６は、「上り」の期間におけるビート周波数ｆｕ、および「下り」の期間におけるビート周波数ｆｄを示している。 図３７は、信号処理回路５６０がプロセッサＰＲおよびメモリ装置ＭＤを備えるハードウェアによって実現されている形態の例を示している。

本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。

前述の特許文献１から３、ならびに非特許文献１および２に開示されているリッジ導波路は、人工磁気導体として機能するワッフルアイアン構造中に設けられている。このような人工磁気導体を、本開示に基づき利用するリッジ導波路（以下、ＷＲＧ：Ｗａｆｆｌｅ−ｉｒｏｎ Ｒｉｄｇｅ ｗａｖｅＧｕｉｄｅと称する場合がある。）は、マイクロ波またはミリ波帯において、損失の低いアンテナ給電路を実現できる。また、このようなリッジ導波路を利用することにより、アンテナ素子を高密度に配置することが可能である。以下、そのような導波路構造の基本的な構成および動作の例を説明する。

人工磁気導体は、自然界には存在しない完全磁気導体（ＰＭＣ: Ｐｅｒｆｅｃｔ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）の性質を人工的に実現した構造体である。完全磁気導体は、「表面における磁界の接線成分がゼロになる」という性質を有している。これは、完全導体（ＰＥＣ: Ｐｅｒｆｅｃｔ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）の性質、すなわち、「表面における電界の接線成分がゼロになる」という性質とは反対の性質である。完全磁気導体は、自然界には存在しないが、例えば複数の導電性ロッドの配列のような人工的な構造によって実現され得る。人工磁気導体は、その構造によって定まる特定の周波数帯域において、完全磁気導体として機能する。人工磁気導体は、特定の周波数帯域（伝搬阻止帯域）に含まれる周波数を有する電磁波が人工磁気導体の表面に沿って伝搬することを抑制または阻止する。このため、人工磁気導体の表面は、高インピーダンス面と呼ばれることがある。

特許文献１から３、ならびに非特許文献１および２に開示されている導波路装置では、行および列方向に配列された複数の導電性ロッドによって人工磁気導体が実現されている。このようなロッドは、ポストまたはピンと呼ばれることもある突出部である。これらの導波路装置のそれぞれは、全体として、対向する一対の導電プレートを備えている。一方の導電プレートは、他方の導電プレートの側に突出するリッジと、リッジの両側に位置する人工磁気導体とを有している。リッジの上面（導電性を有する面）は、ギャップを介して、他方の導電プレートの導電性表面に対向している。人工磁気導体の伝搬阻止帯域に含まれる波長を有する電磁波（信号波）は、この導電性表面とリッジの上面との間の空間（ギャップ）をリッジに沿って伝搬する。

図１は、このような導波路装置が備える基本構成の限定的ではない例を模式的に示す斜視図である。図１では、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ方向を示すＸＹＺ座標が示されている。図示されている導波路装置１００は、対向して平行に配置された板形状（プレート状）の導電部材１１０および１２０を備えている。導電部材１２０には複数の導電性ロッド１２４が配列されている。

なお、本願の図面に示される構造物の向きは、説明のわかりやすさを考慮して設定されており、本開示の実施形態が現実に実施されるときの向きをなんら制限するものではない。また、図面に示されている構造物の全体または一部分の形状および大きさも、現実の形状および大きさを制限するものではない。

図２Ａは、導波路装置１００のＸＺ面に平行な断面の構成を模式的に示す図である。図２Ａに示されるように、導電部材１１０は、導電部材１２０に対向する側に導電性表面１１０ａを有している。導電性表面１１０ａは、導電性ロッド１２４の軸方向（Ｚ方向）に直交する平面（ＸＹ面に平行な平面）に沿って二次元的に拡がっている。この例における導電性表面１１０ａは平滑な平面であるが、後述するように、導電性表面１１０ａは平面である必要は無い。

図３は、わかり易さのため、導電部材１１０と導電部材１２０との間隔を極端に離した状態にある導波路装置１００を模式的に示す斜視図である。現実の導波路装置１００では、図１および図２Ａに示したように、導電部材１１０と導電部材１２０との間隔は狭く、導電部材１１０は、導電部材１２０の全ての導電性ロッド１２４を覆うように配置されている。

図１から図３は、導波路装置１００の一部分のみを示している。導電部材１１０、１２０、導波部材１２２、および複数の導電性ロッド１２４は、実際には、図示されている部分の外側にも拡がって存在する。導波部材１２２の端部には、後述するように、電磁波が外部空間に漏洩することを防止するチョーク構造が設けられる。チョーク構造は、例えば、導波部材１２２の端部に隣接して配置された導電性ロッドの列を含む。

再び図２Ａを参照する。導電部材１２０上に配列された複数の導電性ロッド１２４は、それぞれ、導電性表面１１０ａに対向する先端部１２４ａを有している。図示されている例において、複数の導電性ロッド１２４の先端部１２４ａは同一平面上にある。この平面は人工磁気導体の表面１２５を形成している。導電性ロッド１２４は、その全体が導電性を有している必要はなく、ロッド状構造物の少なくとも表面（上面および側面）が導電性を有していればよい。また、導電部材１２０は、複数の導電性ロッド１２４を支持して人工磁気導体を実現できれば、その全体が導電性を有している必要はない。導電部材１２０の表面のうち、複数の導電性ロッド１２４が配列されている側の面１２０ａが導電性を有し、隣接する複数の導電性ロッド１２４の表面が導体で接続されていればよい。言い換えると、導電部材１２０および複数の導電性ロッド１２４の組み合わせの全体は、導電部材１１０の導電性表面１１０ａに対向する凹凸状の導電性表面を有していればよい。

導電部材１２０上には、複数の導電性ロッド１２４の間にリッジ状の導波部材１２２が配置されている。より詳細には、導波部材１２２の両側にそれぞれ人工磁気導体が位置しており、導波部材１２２は両側の人工磁気導体によって挟まれている。図３からわかるように、この例における導波部材１２２は、導電部材１２０に支持され、Ｙ方向に直線的に延びている。図示されている例において、導波部材１２２は、導電性ロッド１２４の高さおよび幅と同一の高さおよび幅を有している。後述するように、導波部材１２２の高さおよび幅は、導電性ロッド１２４の高さおよび幅とは異なる値を有していてもよい。導波部材１２２は、導電性ロッド１２４とは異なり、導電性表面１１０ａに沿って電磁波を案内する方向（この例ではＹ方向）に延びている。導波部材１２２も、全体が導電性を有している必要は無く、導電部材１１０の導電性表面１１０ａに対向する導電性の導波面１２２ａを有していればよい。導電部材１２０、複数の導電性ロッド１２４、および導波部材１２２は、連続した単一構造体の一部であってもよい。さらに、導電部材１１０も、この単一構造体の一部であってもよい。

導波部材１２２の両側において、各人工磁気導体の表面１２５と導電部材１１０の導電性表面１１０ａとの間の空間は、特定周波数帯域内の周波数を有する電磁波を伝搬させない。そのような周波数帯域は「禁止帯域」と呼ばれる。導波路装置１００内を伝搬する電磁波（以下、「信号波」と称することがある。）の周波数（以下、「動作周波数」と称することがある。）が禁止帯域に含まれるように人工磁気導体は設計される。禁止帯域は、導電性ロッド１２４の高さ、すなわち、隣接する複数の導電性ロッド１２４の間に形成される溝の深さ、導電性ロッド１２４の径、配置間隔、および導電性ロッド１２４の先端部１２４ａと導電性表面１１０ａとの間隙の大きさによって調整され得る。

次に、図４を参照しながら、各部材の寸法、形状、配置等の例を説明する。

図４は、図２Ａに示す構造における各部材の寸法の範囲の例を示す図である。本明細書において、導電部材１１０の導電性表面１１０ａと導波部材１２２の導波面１２２ａとの間の導波路を伝搬する電磁波（信号波）の自由空間における波長の代表値（例えば、動作周波数帯域の中心周波数に対応する中心波長）をλｏとする。また、動作周波数帯域における最高周波数の電磁波の自由空間における波長をλｍとする。各導電性ロッド１２４のうち、導電部材１２０に接している方の端の部分を「基部」と称する。図４に示すように、各導電性ロッド１２４は、先端部１２４ａと基部１２４ｂとを有する。各部材の寸法、形状、配置等の例は、以下のとおりである。

（１）導電性ロッドの幅
導電性ロッド１２４の幅（Ｘ方向およびＹ方向のサイズ）は、λｍ／２未満に設定され得る。この範囲内であれば、Ｘ方向およびＹ方向における最低次の共振の発生を防ぐことができる。なお、ＸおよびＹ方向だけでなくＸＹ断面の対角方向でも共振が起こる可能性があるため、導電性ロッド１２４のＸＹ断面の対角線の長さもλｍ／２未満であることが好ましい。ロッドの幅および対角線の長さの下限値は、工法的に作製できる最小の長さであり、特に限定されない。

（２）導電性ロッドの基部から導電部材１１０の導電性表面までの距離
導電性ロッド１２４の基部１２４ｂから導電部材１１０の導電性表面１１０ａまでの距離は、導電性ロッド１２４の高さよりも長く、かつλｍ／２未満に設定され得る。当該距離がλｍ／２以上の場合、導電性ロッド１２４の基部１２４ｂと導電性表面１１０ａとの間において共振が生じ、信号波の閉じ込め効果が失われる。

導電性ロッド１２４の基部１２４ｂから導電部材１１０の導電性表面１１０ａまでの距離は、導電部材１１０と導電部材１２０との間隔に相当する。例えば導波路をミリ波帯の電磁波が伝搬する場合、λｍ／２は、０．５ｍｍから５ｍｍの大きさを持つ。導電部材１１０と導電部材１２０とが、このような狭い間隔を実現するように対向して配置されていれば、導電部材１１０と導電部材１２０とが厳密に平行である必要はない。また、導電部材１１０と導電部材１２０との間隔がλｍ／２未満であれば、導電部材１１０および／または導電部材１２０の全体または一部が曲面形状を有していても良い。他方、導電部材１１０、１２０の平面形状（ＸＹ面に垂直に投影した領域の形状）および平面サイズ（ＸＹ面に垂直に投影した領域のサイズ）は、用途に応じて任意に設計され得る。

図２Ａで示される例において、導電性表面１２０ａは平面であるが、本開示の実施形態はこれに限られない。例えば、図２Ｂに示すように、導電性表面１２０ａは断面がＵ字またはＶ字に近い形状である面の底部であっても良い。導電性ロッド１２４または導波部材１２２が、基部に向かって幅が拡大する形状をもつ場合に、導電性表面１２０ａはこのような構造になる。このような構造であっても、導電性表面１１０ａと導電性表面１２０ａとの間の距離が波長λｍの半分よりも短ければ、図２Ｂに示す装置は、本開示の実施形態における導波路装置として機能し得る。

（３）導電性ロッドの先端部から導電性表面までの距離Ｌ２
導電性ロッド１２４の先端部１２４ａから導電性表面１１０ａまでの距離Ｌ２は、λｍ／２未満に設定される。当該距離がλｍ／２以上の場合、導電性ロッド１２４の先端部１２４ａと導電性表面１１０ａとの間を往復する伝搬モードが生じ、電磁波を閉じ込められなくなるからである。

（４）導電性ロッドの配列および形状
複数の導電性ロッド１２４のうちの隣接する２つの導電性ロッド１２４の間の隙間は、例えばλｍ／２未満の幅を有する。隣接する２つの導電性ロッド１２４の間の隙間の幅は、当該２つの導電性ロッド１２４の一方の表面（側面）から他方の表面（側面）までの最短距離によって定義される。このロッド間の隙間の幅は、ロッド間の領域で最低次の共振が起こらないように決定される。共振が生じる条件は、導電性ロッド１２４の高さ、隣接する２つの導電性ロッド間の距離、および導電性ロッド１２４の先端部１２４ａと導電性表面１１０ａとの間の空隙の容量の組み合わせによって決まる。よって、ロッド間の隙間の幅は、他の設計パラメータに依存して適宜決定される。ロッド間の隙間の幅には明確な下限はないが、製造の容易さを確保するために、ミリ波帯の電磁波を伝搬させる場合には、例えばλｍ／１６以上であり得る。なお、隙間の幅は一定である必要はない。λｍ／２未満であれば、導電性ロッド１２４の間の隙間は様々な幅を有していてもよい。

複数の導電性ロッド１２４の配列は、人工磁気導体としての機能を発揮する限り、図示されている例に限定されない。複数の導電性ロッド１２４は、直交する行および列状に並んでいる必要は無く、行および列は９０度以外の角度で交差していても良い。複数の導電性ロッド１２４は、行または列に沿って直線上に配列されている必要は無く、単純な規則性を示さずに分散して配置されていても良い。各導電性ロッド１２４の形状およびサイズも、導電部材１２０上の位置に応じて変化していて良い。

複数の導電性ロッド１２４の先端部１２４ａが形成する人工磁気導体の表面１２５は、厳密に平面である必要は無く、微細な凹凸を有する平面または曲面であってもよい。すなわち、各導電性ロッド１２４の高さが一様である必要はなく、導電性ロッド１２４の配列が人工磁気導体として機能し得る範囲内で個々の導電性ロッド１２４は多様性を持ち得る。

さらに、導電性ロッド１２４は、図示されている角柱形状に限らず、例えば円筒状の形状を有していてもよい。さらに、単純な柱状の形状を有している必要はない。人工磁気導体は、導電性ロッド１２４の配列以外の構造によっても実現することができ、多様な人工磁気導体を本開示の導波路装置に利用することができる。なお、導電性ロッド１２４の先端部１２４ａの形状が角柱形状である場合は、その対角線の長さはλｍ／２未満であることが好ましい。楕円形状であるときは、長軸の長さがλｍ／２未満であることが好ましい。先端部１２４ａがさらに他の形状をとる場合でも、その差し渡し寸法は一番長い部分でもλｍ／２未満であることが好ましい。

導電性ロッド１２４の高さ、すなわち、基部１２４ｂから先端部１２４ａまでの長さは、導電性表面１１０ａと導電性表面１２０ａとの間の距離（λｍ／２未満）よりも短い値、例えば、λｏ／４に設定され得る。

（５）導波面の幅
導波部材１２２の導波面１２２ａの幅、すなわち、導波部材１２２が延びる方向に直交する方向における導波面１２２ａのサイズは、λｍ／２未満（例えばλｏ／８）に設定され得る。導波面１２２ａの幅がλｍ／２以上になると、幅方向で共振が起こり、共振が起こるとＷＲＧは単純な伝送線路としては動作しなくなるからである。

（６）導波部材の高さ
導波部材１２２の高さ（図示される例ではＺ方向のサイズ）は、λｍ／２未満に設定される。当該距離がλｍ／２以上の場合、導電性ロッド１２４の基部１２４ｂと導電性表面１１０ａとの距離がλｍ／２以上となるからである。

（７）導波面と導電性表面との間の距離Ｌ１
導波部材１２２の導波面１２２ａと導電性表面１１０ａとの間の距離Ｌ１については、λｍ／２未満に設定される。当該距離がλｍ／２以上の場合、導波面１２２ａと導電性表面１１０ａとの間で共振が起こり、導波路として機能しなくなるからである。ある例では、当該距離はλｍ／４以下である。製造の容易さを確保するために、ミリ波帯の電磁波を伝搬させる場合には、例えばλｍ／１６以上とすることが好ましい。

導電性表面１１０ａと導波面１２２ａとの距離Ｌ１の下限、および導電性表面１１０ａとロッド１２４の先端部１２４ａとの距離Ｌ２の下限は、機械工作の精度と、上下の２つの導電部材１１０、１２０を一定の距離に保つように組み立てる際の精度とに依存する。プレス工法またはインジェクション工法を用いた場合、上記距離の現実的な下限は５０マイクロメートル（μｍ）程度である。ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）を用いて例えばテラヘルツ領域の製品を作る場合には、上記距離の下限は、２〜３μｍ程度である。

次に、導波部材１２２、導電部材１１０、１２０、および複数の導電性ロッド１２４を有する導波路構造の変形例を説明する。以下の変形例は、後述する各実施形態におけるいずれの箇所のＷＲＧ構造にも適用され得る。

図５Ａは、導波部材１２２の上面である導波面１２２ａのみが導電性を有し、導波部材１２２の導波面１２２ａ以外の部分は導電性を有していない構造の例を示す断面図である。導電部材１１０および導電部材１２０も同様に、導波部材１２２が位置する側の表面（導電性表面１１０ａ、１２０ａ）のみが導電性を有し、他の部分は導電性を有していない。このように、導波部材１２２、導電部材１１０、１２０の各々は、全体が導電性を有していなくてもよい。

図５Ｂは、導波部材１２２が導電部材１２０上に形成されていない変形例を示す図である。この例では、導波部材１２２は、導電部材１１０と導電部材とを支持する支持部材（例えば、筐体の内壁等）に固定されている。導波部材１２２と導電部材１２０との間には間隙が存在する。このように、導波部材１２２は導電部材１２０に接続されていなくてもよい。

図５Ｃは、導電部材１２０、導波部材１２２、および複数の導電性ロッド１２４の各々が、誘電体の表面に金属などの導電性材料がコーティングされた構造の例を示す図である。導電部材１２０、導波部材１２２、および複数の導電性ロッド１２４は、相互に導体で接続されている。一方、導電部材１１０は、金属などの導電性材料で構成されている。

図５Ｄおよび図５Ｅは、導電部材１１０、１２０、導波部材１２２、および導電性ロッド１２４の各々の最表面に、誘電体の層１１０ｂ、１２０ｂを有する構造の例を示す図である。図５Ｄは、導体である金属製の導電部材の表面を誘電体の層で覆った構造の例を示す。図５Ｅは、導電部材１２０が、樹脂などの誘電体製の部材の表面を、金属などの導体で覆い、更にその金属の層を誘電体の層で覆った構造を有する例を示す。金属表面を覆う誘電体の層は樹脂などの塗膜であっても良いし、当該金属が酸化する事で生成された不動態皮膜などの酸化皮膜であっても良い。

最表面の誘電体層は、ＷＲＧ導波路によって伝播される電磁波の損失を増やす。しかし、導電性を有する導電性表面１１０ａ、１２０ａを腐食から守ることができる。また、直流電圧や、ＷＲＧ導波路によっては伝播されない程度に周波数の低い交流電圧の影響を遮断することができる。

図５Ｆは、導波部材１２２の高さが導電性ロッド１２４の高さよりも低く、導電部材１１０の導電性表面１１０ａのうち、導波面１２２ａに対向する部分が、導波部材１２２の側に突出している例を示す図である。このような構造であっても、図４に示す寸法の範囲を満たしていれば、前述の実施形態と同様に動作する。

図６Ａは、導電部材１１０の導電性表面１１０ａが曲面形状を有する例を示す図である。図６Ｂは、さらに、導電部材１２０の導電性表面１２０ａも曲面形状を有する例を示す図である。これらの例のように、導電性表面１１０ａ、１２０ａは、平面形状に限らず、曲面形状を有していてもよい。曲面状の導電性表面を有する導電部材も、「板形状」の導電部材に該当する。

上記の構成を有する導波路装置１００によれば、動作周波数の信号波は、人工磁気導体の表面１２５と導電部材１１０の導電性表面１１０ａとの間の空間を伝搬することはできず、導波部材１２２の導波面１２２ａと導電部材１１０の導電性表面１１０ａとの間の空間を伝搬する。このような導波路構造における導波部材１２２の幅は、中空導波管とは異なり、伝搬すべき電磁波の半波長以上の幅を有する必要はない。また、導電部材１１０と導電部材１２０とを厚さ方向（ＹＺ面に平行）に延びる金属壁によって電気的に接続する必要もない。

図７Ａは、導波部材１２２の導波面１２２ａと導電部材１１０の導電性表面１１０ａとの間隙における幅の狭い空間を伝搬する電磁波を模式的に示している。図７Ａにおける３本の矢印は、伝搬する電磁波の電界の向きを模式的に示している。伝搬する電磁波の電界は、導電部材１１０の導電性表面１１０ａおよび導波面１２２ａに対して垂直である。

導波部材１２２の両側には、それぞれ、複数の導電性ロッド１２４によって形成された人工磁気導体が配置されている。電磁波は導波部材１２２の導波面１２２ａと導電部材１１０の導電性表面１１０ａとの間隙を伝搬する。図７Ａは、模式的であり、電磁波が現実に作る電磁界の大きさを正確には示していない。導波面１２２ａ上の空間を伝搬する電磁波（電磁界）の一部は、導波面１２２ａの幅によって区画される空間から外側（人工磁気導体が存在する側）に横方向に拡がっていてもよい。この例では、電磁波は、図７Ａの紙面に垂直な方向（Ｙ方向）に伝搬する。このような導波部材１２２は、Ｙ方向に直線的に延びている必要は無く、不図示の屈曲部および／または分岐部を有し得る。電磁波は導波部材１２２の導波面１２２ａに沿って伝搬するため、屈曲部では伝搬方向が変わり、分岐部では伝搬方向が複数の方向に分岐する。

図７Ａの導波路構造では、伝搬する電磁波の両側に、中空導波管では不可欠の金属壁（電気壁）が存在していない。このため、この例における導波路構造では、伝搬する電磁波が作る電磁界モードの境界条件に「金属壁（電気壁）による拘束条件」が含まれず、導波面１２２ａの幅（Ｘ方向のサイズ）は、電磁波の波長の半分未満である。

図７Ｂは、参考のため、中空導波管１３０の断面を模式的に示している。図７Ｂには、中空導波管１３０の内部空間１３２に形成される電磁界モード（ＴＥ₁₀）の電界の向きが矢印によって模式的に表されている。矢印の長さは電界の強さに対応している。中空導波管１３０の内部空間１３２の幅は、波長の半分に設定されている。中空導波管１３０の内部空間１３２の幅は、伝搬する電磁波の波長の半分よりも小さく設定され得ない。

図７Ｃは、導電部材１２０上に２個の導波部材１２２が設けられている形態を示す断面図である。このように隣接する２個の導波部材１２２の間には、複数の導電性ロッド１２４によって形成される人工磁気導体が配置されている。より正確には、各導波部材１２２の両側に複数の導電性ロッド１２４によって形成される人工磁気導体が配置され、各導波部材１２２が独立した電磁波の伝搬を実現することが可能である。

図７Ｄは、参考のため、２つの中空導波管１３０を並べて配置した導波路装置の断面を模式的に示している。２つの中空導波管１３０は、相互に電気的に絶縁されている。電磁波が伝搬する空間の周囲が、中空導波管１３０を構成する金属壁で覆われている必要がある。このため、電磁波が伝搬する内部空間１３２の間隔を、金属壁の２枚の厚さの合計よりも短縮することはできない。金属壁の２枚の厚さの合計は、通常、伝搬する電磁波の波長の半分よりも長い。したがって、中空導波管１３０の配列間隔（中心間隔）を、伝搬する電磁波の波長よりも短くすることは困難である。特に、電磁波の波長が１０ｍｍ以下となるミリ波帯、あるいはそれ以下の波長の電磁波を扱う場合は、波長に比して十分に薄い金属壁を形成することが難しくなる。このため、商業的に現実的なコストで実現することが困難になる。

これに対して、人工磁気導体を備える導波路装置１００は、導波部材１２２を近接させた構造を容易に実現することができる。このため、複数のアンテナ素子が近接して配置されたアレーアンテナへの給電に好適に用いられ得る。

図８Ａは、上記のような導波路構造を利用したスロットアレーアンテナ２００（比較例）の構成の一部を模式的に示す斜視図である。図８Ｂは、このスロットアレーアンテナ２００におけるＸ方向に並ぶ２つのスロット１１２の中心を通るＸＺ面に平行な断面の一部を模式的に示す図である。このスロットアレーアンテナ２００においては、第１の導電部材１１０が、Ｘ方向およびＹ方向に配列された複数のスロット１１２を有している。この例では、複数のスロット１１２は２つのスロット列を含み、各スロット列は、Ｙ方向に等間隔に並ぶ６個のスロット１１２を含んでいる。第２の導電部材１２０には、Ｙ方向に延びる２つの導波部材１２２が設けられている。各導波部材１２２は、１つのスロット列に対向する導電性の導波面１２２ａを有する。２つの導波部材１２２の間の領域、および２つの導波部材１２２の外側の領域には、複数の導電性ロッド１２４が配置されている。これらの導電性ロッド１２４は、人工磁気導体を形成している。

各導波部材１２２の導波面１２２ａと、導電部材１１０の導電性表面１１０ａとの間の導波路には、不図示の送信回路から電磁波が供給される。Ｙ方向に並ぶ複数のスロット１１２のうちの隣接する２つのスロット１１２の中心間の距離は、例えば、導波路を伝搬する電磁波の波長と同じ値に設計される。これにより、Ｙ方向に並ぶ６個のスロット１１２から、位相の揃った電磁波が放射される。

図８Ａおよび図８Ｂに示すスロットアレーアンテナ２００は、複数のスロット１１２の各々を放射素子とするアンテナアレイである。このようなスロットアレーアンテナ２００の構成によれば、放射素子間の中心間隔を、例えば導波路を伝搬する電磁波の自由空間における波長λｏよりも短くすることができる。

本発明者らは、上記のようなスロットアレーアンテナ２００とは全く異なる構造によっても、放射素子の間隔の短いアンテナアレイを実現し得ることを発見し、本開示の技術を完成させた。以下、本開示の実施形態の基本的な構成の例を説明する。

図９Ａは、本開示の例示的な実施形態におけるアンテナ装置３００を模式的に示す斜視図である。図９Ｂは、このアンテナ装置３００を−Ｙ方向から見た図である。アンテナ装置３００の構造は、図１に示す導波路装置１００の構造に類似している。しかし、図９Ａに示すアンテナ装置３００は、導波部材１２２の導波面１２２ａ上に形成される導波間隙の端部が外部空間に開放され、放射素子３２０として機能する点で、前述の導波路装置１００とは異なる。前述の導波路装置１００では、導波部材１２２の端部には、外部に電磁波が漏洩することを防止するためのチョーク構造が設けられている。このため、導波路装置１００においては、導波部材１２２の導波面１２２ａと導電性表面１１０ａとの間の導波間隙は外部空間に開放されていない。これに対し、図９Ａに示すアンテナ装置３００では、導波部材１２２の導波面１２２ａと導電性表面３１０Ａａとの間の導波間隙が、導波面１２２ａの端部において外部空間に開放され、放射素子３２０を規定している。これにより、アンテナ装置３００は、放射素子３２０によって電磁波の送信および受信の少なくとも一方を行うことができる。

アンテナ装置３００は、板形状の導電部材３１０Ａ、３１０Ｂと、導波部材１２２と、複数の導電性ロッド１２４を含む人工磁気導体とを備える。導電部材３１０Ａは、導電性表面３１０Ａａを有する。導電部材３１０Ｂは、導電性表面３１０Ａａに対向する導電性表面３１０Ｂａを有する。導波部材１２２および複数の導電性ロッド１２４は、導電性表面３１０Ｂａに接続されている。導波部材１２２は、導電性表面３１０Ａａに対向する導電性の導波面１１２ａを有する。導波部材１２２の導波面１２２ａは、導電性表面３１０Ａａに沿って延びるストライプ形状（「ストリップ形状」と称することもある。）を有する。本明細書において「ストライプ形状」とは、縞（stripes）の形状を意味するのではなく、単一のストライプ（a stripe）の形状を意味する。一方向に直線的に延びる形状だけでなく、途中で曲がったり、分岐したりする形状も「ストライプ形状」に含まれる。

導波部材１２２の導波面１２２ａは、少なくとも端部において第１の方向（Ｙ方向）に延びている。導電部材３１０Ａの導電性表面３１０Ａａにおいて放射素子３２０に最も近い端縁は、第１の方向に交差する第２の方向（図示される例では第１の方向に直交するＸ方向）に沿って拡がっている。導波部材１２２の導波面１２２ａの端部の位置と、導電部材３１０Ａの導電性表面３１０Ａａの端縁の位置とは、第１の方向においてほぼ一致している。放射素子３２０は、当該導波面１２２ａの端部と、当該導電性表面３１０Ａａの端縁との間に形成される。

アンテナ装置３００は、自由空間における最短の波長がλｍである帯域の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられる。前述の導波路装置１００と同様、導波面１２２ａの幅、各導電性ロッド１２４の幅、隣接する２つの導電性ロッド１２４の間の空間の幅、導波部材１２２と複数の導電性ロッド１２４との間の空間の幅、各導電性ロッド１２４の基部から導電性表面までの距離は、λｍ／２未満に設定される。

導電部材３１０Ａ、３１０Ｂの間の導波部材１２２の数は１つに限らず、２つ以上であってもよい。さらに、導波部材１２２は、延びる方向が変化する屈曲部、および／または、延びる方向が２つ以上に分かれる分岐部を有していてもよい。

図９Ｃは、２つの導波部材１２２の端部が外部空間に開放されている例を示す断面図である。この例では、Ｘ方向に並ぶ２つの放射素子３２０を備えるアンテナアレイが実現される。Ｘ方向に並ぶ放射素子３２０の数は、３個以上でもよい。

本発明者らは、各々が上記のアンテナ装置３００と同様の構造を有する複数の構造体（本明細書において、「導波路コンポーネント」と称する。）を積層する（stack）ことにより、積層方向における放射素子の間隔の短いアンテナアレイを実現し得ることに想到した。以下、そのようなアンテナアレイの構成例を説明する。

本明細書において、「導波路コンポーネント」とは、アンテナアレイを構成する複数の層のうちの１つの層を規定し、前述したＷＲＧの原理に基づいて電磁波を伝搬させることのできる構造体を意味する。ここで「層」とは、対向する２つの導電部材によって挟まれ、電磁波が伝搬し得る領域を含む層状の部分を意味する。導波路コンポーネントは、導電性表面を有する導電部材と、導電性表面に対向する導電性の導波面を有する少なくとも１つの導波部材と、導波部材の両側に位置する人工磁気導体とを有する。導波部材の導波面は、導電部材の導電性表面に沿って延びるストライプ形状を有する。導波面と導電性表面との間の導波間隙は、導波面の端部において外部空間に開放され、放射素子を規定する。導波路コンポーネントは、「導波路ユニット」、「導波路エレメント」、または「導波路層」と呼ぶこともできる。

本開示の実施形態におけるアンテナアレイは、複数の導波路コンポーネントを、導電性表面または導波面に垂直な方向に積み重ねる（積層する）ことによって構成される。１つの導波路コンポーネントと、隣接する他の導波路コンポーネントとの間に明確な境界が存在する必要はない。例えば、後述する実施形態のように、１つの導波路コンポーネントと、隣接する他の導波路コンポーネントとが、１つの板形状の導電部材を共有していてもよい。その場合には、当該導電部材の一方の面側の部分が一方の導波路コンポーネントに属し、当該導電部材の他方の面側の部分が他方の導波路コンポーネントに属していると解釈できる。

本開示の実施形態におけるアンテナアレイは、複数の導波路コンポーネントを備える。複数の導波路コンポーネントは、少なくとも１つの板形状の導電部材と、その両側の少なくとも２つの導波部材とを備える。少なくとも１つの板形状の導電部材と、少なくとも２つの導波部材とによって積層方向に少なくとも２つの導波間隙が形成される。これらの導波間隙の端部が、複数の放射素子として機能する。

図１０Ａは、本開示の例示的な実施形態におけるアンテナアレイ４００の構造を模式的に示す斜視図である。このアンテナアレイ４００は、積層された２個の導波路コンポーネント３５０Ａ、３５０Ｂを備えている。導波路コンポーネント３５０Ａ、３５０Ｂの各々は、図９Ａに示すアンテナ装置３００と同様の構造を有する。アンテナアレイ４００は、３つの板形状の導電部材３１０Ａ、３１０Ｂ、３１０Ｃを備えている。このうち、中央の導電部材３１０Ｂは、２つの導波路コンポーネント３５０Ａ、３５０Ｂによって共有されている。言い換えれば、中央の導電部材３１０Ａの上側の部分は、第１の導波路コンポーネント３５０Ａの構成要素であり、下側の部分は、第２の導波路コンポーネント３５０Ｂの構成要素である。なお、本明細書において、「上」、「下」、「左」、「右」などの方向を表す用語は、参照している図面に示す姿勢を基準にしたときの当該方向を意味する。「第１（の）〜」、「第２（の）〜」などの用語は、部材、装置、部品、部分、層、領域等を区別するためにのみ用いられ、限定的な意味を有しない。

図１０Ｂは、わかり易さのため、第１の導電部材３１０Ａと第２の導電部材３１０Ｂとの間隔、および第２の導電部材３１０Ｂと第３の導電部材３１０Ｃとの間隔を極端に離した状態にあるアンテナアレイ４００を模式的に示す斜視図である。現実のアンテナアレイ４００では、図１０Ａに示すように、第１の導電部材３１０Ａと第２の導電部材３１０Ｂとの間隔、および第２の導電部材３１０Ｂと第３の導電部材３１０Ｃとの間隔は狭い。第１の導電部材３１０Ａは、第２の導電部材３１０Ｂに支持された導波部材１２２Ａ、およびその両側の複数の導電性ロッド１２４Ａを覆うように配置される。同様に、第２の導電部材３１０Ｂは、第３の導電部材３１０Ｃに支持された導波部材１２２Ｂ、およびその両側の複数の導電性ロッド１２４Ｂを覆うように配置される。

図１１Ａは、アンテナアレイ４００を−Ｙ方向から見た図である。図１１Ｂは、アンテナアレイ４００においてＺ方向に並ぶ２つの導波部材１２２Ａ、１２２Ｂを通り、ＹＺ面に平行な断面の構成を模式的に示す図である。

第１の導波路コンポーネント３５０Ａは、導電性表面３１０Ａａを有する導電部材（導電部材３１０Ａの下側の部分）と、導電性表面３１０Ｂａを有する導電部材（導電部材３１０Ｂの上側の部分）と、導電性表面３１０Ｂａに接続された導波部材１２２Ａおよび複数の導電性ロッド１２４Ａとを備えている。導波部材１２２Ａは、導電性表面３１０Ａａに対向する導電性の導波面１２２Ａａを有する。第２の導波路コンポーネント３５０Ｂは、導電性表面３１０Ｂｂを有する導電部材（導電部材３１０Ｂの下側の部分）と、導電性表面３１０Ｃａを有する導電部材（導電部材３１０Ｃの上側の部分）と、導電性表面３１０Ｃａに接続された導波部材１２２Ｂおよび複数の導電性ロッド１２４Ｂとを備えている。導波部材１２２Ｂは、導電性表面３１０Ｂｂに対向する導電性の導波面１２２Ｂａを有する。

導電部材３１０Ａの導電性表面３１０Ａａと、導波部材１２２Ａの導波面１２２Ａａとの間の導波間隙は、導波面１２２Ａａの一端において、外部空間に開放され、放射素子３２０Ａを規定している。同様に、導電部材３１０Ｂの導電性表面３１０Ｂｂと、導波部材１２２Ｂの導波面１２２Ｂａとの間の導波間隙は、導波面１２２Ｂａの一端において、外部空間に開放され、放射素子３２０Ｂを規定している。

図１１Ｂにおいて、導波路コンポーネント３５０Ａ、３５０Ｂの各々における導波間隙の右端（放射素子３２０Ａ、３２０Ｂがある側の反対側の端部）は、図示されていない他の導波路に接続され得る。そのような他の導波路は、例えば、導電部材３１０Ｂまたは３１０Ｃに形成された貫通孔（ポート）の内部の導波路と、図示されていない他の層におけるリッジ導波路（ＷＲＧ）とを含み得る。他の導波路は、例えば導波管またはマイクロストリップ線路のような、リッジ導波路とは異なる導波路を含んでいてもよい。信号波は、少なくとも１つの貫通孔を通して、複数の層を跨いで伝搬され得る。当該他の導波路は、信号波を送信または受信する電子回路に接続される。電子回路は、図１１Ｂに示される導波路コンポーネント３５０Ａ、３５０Ｂとは異なる層に配置され得る。電子回路が生成した信号波は、不図示の他の導波路および図１１Ｂに示す２つの導波間隙を伝搬し、放射素子３２０Ａ、３２０Ｂから外部空間に放射される。この際、電子回路から２つの導波間隙に至る経路の途中で、信号波が２つ以上に分岐してもよい。一方、外部空間から放射素子３２０Ａ、３２０Ｂに到達した信号波は、当該２つの導波間隙および不図示の他の導波路を伝搬し、１つまたは複数の電子回路によって受信され得る。各導波間隙の長さおよび不図示の各導波路の長さは、アンテナアレイ４００に要求される機能および性能に応じて適切に設定される。各導波間隙の長さおよび不図示の各導波路の長さは、例えば、送信時に放射素子３２０Ａ、３２０Ｂが同一の位相で励振される長さに設計され得る。各導波部材の導波面は、平坦である必要はなく、凹凸を有していてもよい。同様に、導波面の幅（Ｘ方向の寸法）が、Ｙ方向に沿って変動していてもよい。

以上のような構成により、アンテナアレイ４００は、放射素子３２０Ａ、３２０Ｂによって電磁波の送信および受信の少なくとも一方を行うことができる。本実施形態のアンテナアレイ４００Ａによれば、中空導波管を用いた従来のアンテナアレイと比較して、放射素子の間隔を短縮することができる。例えば、アンテナアレイ４００が、自由空間における中心波長がλｏである帯域の電磁波の送信または受信に用いられる場合を考える。導波路コンポーネント３５０Ａ、３５０Ｂの積層方向（Ｚ方向）において隣接する２つの放射素子３２０Ａ、３２０Ｂの中心間の距離（以下、「放射素子間隔」と称することがある。）をλｏ未満にすることができる。放射素子３２０Ａ、３２０Ｂの中心間の距離は、例えば、各導電部材３１０の厚さおよび各導波部材１２２の高さ（Ｚ方向の寸法）をλｏ／４にし、導波間隙の厚さ（Ｚ方向の寸法）をλｏ／８にした場合、５λｏ／８程度にすることができる。各部材の寸法を調整すれば、放射素子間隔を、例えばλｏ／２未満に短縮することもできる。

Ｚ方向に並ぶ放射素子３２０の数は、２個に限らず、３個以上であってもよい。また、複数の放射素子３２０は、導電部材３１０の導電性表面に垂直な方向（Ｚ方向）に限らず、当該導電性表面に交差する他の方向に配列されていてもよい。３個以上の放射素子３２０を設けるためには、アンテナアレイ４００は、少なくとも３つの導波路コンポーネントを備えていればよい。３つの導波路コンポーネントにおける導波部材の導波面の端部は、導電部材の導電性表面と交差する方向に延びる１つの直線に沿って配列される。これにより、３個以上の放射素子３２０が一次元に並んだアンテナアレイを構成することができる。

Ｘ方向にも複数の放射素子が並んでいてもよい。その場合、少なくとも１つの導波路コンポーネントは、Ｘ方向に並ぶ複数の導波部材を有する。各導波路コンポーネントが複数の導波部材を有し、それらの導波面の端部が、導電性表面と交差する方向に延びる１つの直線に沿って配列されていてもよい。そのような構成により、２次元のアンテナアレイを実現できる。

以下、本開示の実施形態による導波路装置のより具体的な構成例を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。本明細書においては、同一または類似する構成要素には、同一の参照符号を付している。

（実施形態１）
図１２Ａは、本開示の実施形態１におけるアンテナアレイ４００Ａの構造の一部を示す断面図である。このアンテナアレイ４００Ａは、Ｚ方向に積層された４個の導波路コンポーネント３５０Ａ、３５０Ｂ、３５０Ｃ、３５０Ｄを備えている。導波路コンポーネント３５０Ａ、３５０Ｂ、３５０Ｃ、３５０Ｄは、それぞれ、Ｙ方向に延びる４個の導波部材１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、１２２Ｄを備えている。図１２Ａは、アンテナアレイ４００Ａにおける導波部材１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、１２２Ｄを通り、ＹＺ面に平行な断面を示している。図１２Ｂは、アンテナアレイ４００を、−Ｙ方向から見た図である。図１２Ｂに示すように、アンテナアレイ４００Ａは、Ｘ方向およびＺ方向に二次元に配列された複数の放射素子を有する。

以下の説明において、導波路コンポーネント３５０Ａ、３５０Ｂ、３５０Ｃ、３５０Ｄを、区別せずに表現する際には、「導波路コンポーネント３５０」と表現する。導波部材１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、１２２Ｄなどの他の構成要素についても同様に、同種の構成要素を区別せずに表現する際には、参照符号の末尾のＡ、Ｂなどの記載を省略することがある。

アンテナアレイ４００Ａは、５枚の板形状の導電部材３１０Ａ、３１０Ｂ、３１０Ｃ、３１０Ｄ、３１０Ｅを備えている。第１の導波路コンポーネント３５０Ａは、第１の導電部材３１０Ａの下側の部分と、第２の導電部材３１０Ｂの上側の部分と、それらの間の第１の導波部材１２２Ａおよび複数の第１の導電性ロッド１２４Ａとを備えている。第１の導波部材１２２Ａの導波面と第１の導電部材３１０Ａの導電性表面との間の導波間隙の一端は、外部空間に開放され、第１の放射素子（アンテナ素子）３２０Ａを規定している。第２の導波路コンポーネント３５０Ｂは、第２の導電部材３１０Ｂの下側の部分と、第３の導電部材３１０Ｃの上側の部分と、それらの間の第２の導波部材１２２Ｂおよび複数の第２の導電性ロッド１２４Ｂとを備えている。第２の導波部材１２２Ｂの導波面と第２の導電部材３１０Ｂの導電性表面との間の導波間隙の一端は、外部空間に開放され、第２の放射素子３２０Ｂを規定している。第３の導波路コンポーネント３５０Ｃは、第３の導電部材３１０Ｃの下側の部分と、第４の導電部材３１０Ｄの上側の部分と、それらの間の第３の導波部材１２２Ｃおよび複数の第３の導電性ロッド１２４Ｃとを備えている。第３の導波部材１２２Ｃの導波面と第３の導電部材３１０Ｃの導電性表面との間の導波間隙の一端は、外部空間に開放され、第３の放射素子３２０Ｃを規定している。第４の導波路コンポーネント３５０Ｄは、第４の導電部材３１０Ｄの下側の部分と、第５の導電部材３１０Ｅの上側の部分と、それらの間の第４の導波部材１２２Ｄおよび複数の第４の導電性ロッド１２４Ｄとを備えている。第４の導波部材１２２Ｄの導波面と第４の導電部材３１０Ｄの導電性表面との間の導波間隙の一端は、外部空間に開放され、第４の放射素子３２０Ｄを規定している。第１から第４の放射素子３２０Ａ、３２０Ｂ、３２０Ｃ、３２０Ｄによって、電磁波の送信または受信が可能である。

導波路コンポーネント３５０Ａ、３５０Ｂ、３５０Ｃ、３５０Ｄは、さらに、それぞれの導波面の端部１２２ｅおよび当該端部１２２ｅに対向する導電性表面の端縁３１０ｅに接続された放射器３３０Ａ、３３０Ｂ、３３０Ｃ、３３０Ｄを、それぞれ備えている。これらの放射器３３０の各々は、導波面の端部１２２ｅと導電性表面の端縁３１０ｅとの間の開口を広げる導電性の表面を有する。各放射器３３０の導電性の表面は、図１２Ｂに示すように、上下２つの部分に分かれている。各放射器３３０の一方の部分（以下、「第１部分」と称する。）は、導波面の端部１２２ｅに接続されている。各放射器３３０の他方の部分（以下、「第２部分」と称する。）は、導電性表面の端縁３１０ｅに接続されている。

図１３Ａは、放射器３３０の第１部分を拡大して示す図である。本実施形態における放射器３３０の第１部分の表面は、導波部材１２２の導波面１２２ａに対して傾斜している。放射器３３０の第１部分の表面は、導波面１２２ａの端部１２２ｅから離れるほど、放射器３３０の第２部分の表面（図１３Ａにおいて不図示）から離れ、かつＸ方向の寸法が拡大する形状を有する。放射器３３０の第２部分も第１部分と同様の構造を有する。図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように、本実施形態における各放射器３３０の第１部分および第２部分の形状は、導波面１２２ａと導電部材３１０の導電性表面との中間の平面に対称である。各放射器３３０は、公知のホーンアンテナにおけるホーンと同様の機能を有する。すなわち、放射器３３０は、放射素子３２０Ａから放射される電磁波の指向特性を向上させる機能を有する。

図１３Ｂは、放射器３３０の変形例を示す図である。各放射器３３０は、図１３Ｂに示すように、段差を有していてもよい。図１３Ｂに示す放射器３３０も、図１３Ａに示す放射器３３０と同様、導波間隙の端部の開口を広げ、指向特性を向上させることができる。

以上の例における放射器３３０は、２つの部分に分離されているが、必ずしも分離されている必要はない。放射器３３０は、放射素子３２０が規定される領域を包囲する１つのホーンによって実現されていてもよい。

次に、図１４Ａから図１４Ｄを参照しながら、導波路コンポーネント３５０Ａ〜３５０Ｄの構造をより詳細に説明する。

図１４Ａは、第１の導波路コンポーネント３５０Ａの構造を模式的に示す平面図である。図１４Ａは、第２の導電部材３１０Ｂ、導波部材１２２Ａ、および複数の導電性ロッド１２４Ａを＋Ｚ方向から見た図である。第２の導電部材３１０Ｂは、ポート（貫通孔）１４５Ａを有している。ポート１４５Ａは、導波部材１２２Ａにおいて放射器３３０Ａが接続されている側とは反対の側の端部に隣接して設けられている。ポート１４５Ａを介して、導波部材１２２Ａの導波面上の導波路（導波間隙）と、他の層における導波路とが接続される。導波部材１２２Ａは、ポート１４５Ａの近傍で途切れ、その先には導波部材１２２Ａの先端部と、複数の導電性ロッド１２４Ａとを含むチョーク構造１４０Ａが存在する。チョーク構造１４０Ａは、伝送線路（導波間隙）を伝搬する電磁波の波長λｇのおよそ４分の１の長さをもつ付加的な伝送線路と、その付加的な伝送線路の端部に配置された、深さが自由空間波長λｏのおよそ１／４である複数の溝、または高さがλｏのおよそ１／４である導電性ロッド１２４Ａの列とから構成され得る。チョーク構造１４０Ａは、入射波と反射波との間に約１８０°（π）の位相差を与え、導波部材１２２Ａの一端から電磁波が漏洩することを抑制する。

図１４Ｂは、第２の導波路コンポーネント３５０Ｂの構造を模式的に示す平面図である。図１４Ｂは、第３の導電部材３１０Ｃ、導波部材１２２Ｂ、および複数の導電性ロッド１２４Ｂを＋Ｚ方向から見た図である。第３の導電部材３１０Ｃは、２つのポート１４５Ｂ１、１４５Ｂ２を有している。ポート１４５Ｂ１は、第２の導電部材３１０Ｂにおけるポート１４５Ａに連通し、導電性の導波壁１４６Ｂ１に囲まれている。ポート１４５Ｂ２は、導波部材１２２Ｂにおいて放射器３３０Ｂが接続されている側とは反対の側の端部に隣接して設けられている。ポート１４５Ｂ２を介して、導波部材１２２Ｂの導波面上の導波路と、他の層における導波路とが接続される。導波部材１２２Ｂは、ポート１４５Ｂ２の近傍で途切れ、その先には導波部材１２２Ｂの先端部と、複数の導電性ロッド１２４Ｂとを含むチョーク構造１４０Ｂが存在する。チョーク構造１４０Ｂは、チョーク構造１４０Ａと同様の構造を有する。チョーク構造１４０Ｂは、導波部材１２２Ｂの一端から電磁波が漏洩することを抑制する。

図１４Ｃは、第３の導波路コンポーネント３５０Ｃの構造を模式的に示す平面図である。図１４Ｃは、第４の導電部材３１０Ｄ、導波部材１２２Ｃ、および複数の導電性ロッド１２４Ｃを＋Ｚ方向から見た図である。第４の導電部材３１０Ｄは、３つのポート１４５Ｃ１、１４５Ｃ２、１４５Ｃ３を有している。ポート１４５Ｃ１は、第２の導電部材３１０Ｂにおけるポート１４５Ａおよび第３の導電部材３１０Ｃにおけるポート１４５Ｂ１に連通している。ポート１４５Ｃ１は、導電性の導波壁１４６Ｃ１に囲まれている。ポート１４５Ｃ２は、第３の導電部材３１０Ｃにおけるポート１４５Ｂ２に連通している。ポート１４５Ｃ２は、導電性の導波壁１４６Ｃ２に囲まれている。ポート１４５Ｃ３は、導波部材１２２Ｃにおいて放射器３３０Ｃが接続されている側とは反対の側の端部に隣接して設けられている。ポート１４５Ｃ３を介して、導波部材１２２Ｃの導波面上の導波路と、他の層における導波路とが接続される。導波部材１２２Ｃは、ポート１４５Ｃ３の近傍で途切れ、その先には導波部材１２２Ｃの先端部と、複数の導電性ロッド１２４Ｃとを含むチョーク構造１４０Ｃが存在する。チョーク構造１４０Ｃは、チョーク構造１４０Ａ、１４５Ｂと同様の構造を有する。チョーク構造１４０Ｃは、導波部材１２２Ｂの一端から電磁波が漏洩することを抑制する。

図１４Ｄは、第４の導波路コンポーネント３５０Ｄの構造を模式的に示す平面図である。図１４Ｄは、第５の導電部材３１０Ｅ、導波部材１２２Ｄ、および複数の導電性ロッド１２４Ｄを＋Ｚ方向から見た図である。第５の導電部材３１０Ｅは、４つのポート１４５Ｄ１、１４５Ｄ２、１４５Ｄ３、１４５Ｄ４を有している。ポート１４５Ｄ１は、第２の導電部材３１０Ｂにおけるポート１４５Ａ、第３の導電部材３１０Ｃにおけるポート１４５Ｂ１、および第４の導電部材３１０Ｄにおけるポート１４５Ｃ１に連通している。ポート１４５Ｄ１は、導電性の導波壁１４６Ｄ１に囲まれている。ポート１４５Ｄ２は、第３の導電部材３１０Ｃにおけるポート１４５Ｂ２および第４の導電部材３１０Ｄにおけるポート１４５Ｃ２に連通している。ポート１４５Ｄ２は、導電性の導波壁１４６Ｄ２に囲まれている。ポート１４５Ｄ３は、第４の導電部材３１０Ｄにおけるポート１４５Ｃ３に連通している。ポート１４５Ｄ３は、導波壁１３６Ｄ３に囲まれている。ポート１４５Ｄ４は、導波部材１２２Ｄにおいて放射器３３０Ｄが接続されている側とは反対の側の端部に隣接して設けられている。ポート１４５Ｄ４を介して、導波部材１２２Ｄの導波面上の導波路と、他の層における導波路とが接続される。導波部材１２２Ｄは、ポート１４５Ｄ４の近傍で途切れ、その先には導波部材１２２Ｄの先端部と、複数の導電性ロッド１２４Ｄとを含むチョーク構造１４０Ｄが存在する。チョーク構造１４０Ｄは、チョーク構造１４０Ａ、１４５Ｂ、１４５Ｃと同様の構造を有する。チョーク構造１４０Ｄは、導波部材１２２Ｄの一端から電磁波が漏洩することを抑制する。

図１５Ａは、各導波壁１４６およびその内部の貫通孔の構造を説明するための図である。図１５Ａは、１つの導波壁１４６の近傍の構成を示している。本実施形態では、各導波壁１４６の内壁面は、内側に向かって突出する２つのリッジ１４６ｒを有する。各ポート１４５の内壁面も同様の形状を有する。導波壁１４６によって規定される開口のＸＹ面に平行な断面の形状は、アルファベットの「Ｈ」に類似している。このため、この開口の形状を、Ｈ型形状またはダブルリッジ形状と称することがある。開口は、Ｈ型形状の中心点から１つの端部までの開口に沿った長さ（図１５Ａにおいて矢印で示す長さ）の２倍がλｏ／２以上になるように設計される。この条件を満足することにより、導波壁１４６が導波管として機能し、一対のリッジ１４６ｒに沿って電磁波を伝搬させることができる。開口の形状をＨ型形状にすることにより、開口のＸ方向の寸法を小さくすることができる。リッジ１４６ｒが存在する部分における導波壁１４６の幅（Ｙ方向の厚さ）は、例えばλｏ／４の０．８倍以上１．２倍以下に設定される。この寸法範囲にすることにより、貫通孔からの電磁波の漏洩をより確実に抑制できる。

本実施形態における各ポート１４５および各導波壁１４６の、ＸＹ面に平行な断面の開口の形状は、Ｈ型形状に限定されない。例えば、図１５Ｂまたは図１５Ｃに示す形状にしてもよい。

図１５Ｂは、各ポート１４５および各導波壁１４６の形状の他の例を示す図である。この例では、各導波壁１４６によって規定される開口のＸＹ面に平行な断面は、Ｘ方向に長い形状を有する。各ポート１４５も同じ形状を有する。図示されている開口の形状は長方形状であるが、楕円形状のように両端の角が丸い形状でもよい。このような形状は、アルファベットの「Ｉ」に類似しているため、Ｉ型形状と称することができる。開口の長さ方向（Ｘ方向）の寸法は、λｏ／２より大きい値に設定される。図１５Ａの構造に比して、長さ方向（Ｘ方向）のサイズが大きくなるが、孔の形状は単純化される。貫通孔の縁から導波壁１４６の長辺の縁までのＹ方向の寸法は、例えばλｏ／４の０．８倍以上１．２倍以下に設定される。この寸法範囲にすることにより、貫通孔からの電磁波の漏洩をより確実に抑制できる。

図１５Ｃは、各ポート１４５および各導波壁１４６の形状のさらに他の例を模式的に示す図である。この例では、各ポート１４５および各導波壁１４６の内壁面は、内側に向かって突出する１つのリッジ１４６ｒを有する。このような形状を、シングルリッジ形状と称することがある。シングルリッジ形状により、リッジ１４６ｒに沿って電磁波を伝搬させることができる。この例における開口では、一方の端部から他方の端部までの、開口に沿った長さ（図１５Ｃにおいて矢印で示す長さ）は、λｏ／２よりも大きい値に設計される。リッジ１４６ｒが存在する部分における導波壁１４６の幅（Ｙ方向の厚さ）は、例えばλｏ／４の０．８倍以上１．２倍以下に設定される。貫通孔の縁から導波壁１４６の長辺の縁までのＹ方向における寸法についても、λｏ／４の０．８倍以上１．２倍以下に設定され得る。この寸法範囲にする事により、貫通孔から電磁波の漏洩をより確実に抑制できる。

図１５Ｄは、導波壁１４６の他の構成例を示す図である。この例では、導波壁１４６は、２つの部分に分割されている。２つの部分の各々における開口のＸＹ面に平行な断面の形状は、Ｈ型形状の半分である。このような導波壁１４６を用いても、対向するリッジ１４６ｒ間に強い電界が形成されるため、前述の例と同様に電磁波を伝搬させることができる。

図１６は、図１４Ｄに示す導電部材３１０Ｅの背面側（−Ｚ方向側）に配置される導電部材３１０Ｆの構成を模式的に示す上面図である。導電部材３１０Ｆは、ポート１４５Ｅを備えている。導電部材３１０Ｆ上には、導波部材１２２Ｅと、複数の導電性ロッド１２４Ｅとが配置されている。導波部材１２２Ｅは、延びる方向が２つに分かれる分岐部を３箇所に備え、延びる方向が変化する屈曲部を６箇所に備えている。導波部材１２２Ｅは、ポート１４５Ｅに隣接し、Ｘ方向に延びる部分（幹部と称する。）から、終端の４つの部分（終端部と称する。）に分岐する４ポートディバイダの構成を備えている。ポート１４５Ｅの位置から導波部材１２２Ｅの４つの終端部の先端までの、導波部材１２２Ｅに沿った距離は、いずれの経路においても等しい。４つの終端部の先端は、図１４Ｄに示す４つのポート１４５Ｄ１〜１４５Ｄ４にそれぞれ対向している。

導波部材１２２Ｅは、ポート１４５Ｅを介して外部にある導波路装置または電子回路に結合される。図１６には、一例として、ポート１４５Ｅに接続された電子回路２９０が示されている。電子回路２９０は任意の位置に配置されていてよい。電子回路２９０は、例えば、導電部材３１０Ｆの背面側の回路基板に配置され得る。このような電子回路２９０は、マイクロ波集積回路であり、例えば、ミリ波を生成するＭＭＩＣ（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）であり得る。

図１６に示される導電部材３１０Ｆ上の導波部材１２２Ｅおよび導電性ロッド１２４Ｅの全体を含む層を「分配層」または「給電層」と呼ぶことができる。また、図１４Ａから図１４Ｄに示すそれぞれの層を、「放射層」または「励振層」と呼ぶことができる。各層は、それぞれ、一枚の金属プレートを加工することによって量産され得る。

電子回路２９０によって生成された信号波は、ポート１４５Ｅを通って導波部材１２２Ｅに沿って４つの経路に分かれて伝搬する。導波部材１２２Ｅにおける４つの終端部に到達すると、信号波は、図１４Ｄに示す４つのポート１４５Ｄ１〜１４５Ｄ４を通過して＋Ｚ方向に向かう。ポート１４５Ｄ４を通過した信号波は、導波部材１２２Ｄに沿って伝搬し、放射器３３０Ｄから放射される。ポート１４５Ｄ３を通過した信号波は、ポート１４５Ｃ３（図１４Ｃ）を通過して導波部材１２２Ｃに沿って伝搬し、放射器３３０Ｃから放射される。ポート１４５Ｄ２を通過した信号波は、ポート１４５Ｃ２（図１４Ｃ）およびポート１４５Ｂ２（図１４Ｂ）を順に通過して導波部材１２２Ｂに沿って伝搬し、放射器３３０Ｂから放射される。ポート１４５Ｄ１を通過した信号波は、ポート１４５Ｃ１（図１４Ｃ）、ポート１４５Ｂ１（図１４Ｂ）、およびポート１４５Ａ（図１４Ａ）を順に通過して導波部材１２２Ａに沿って伝搬し、放射器３３０Ａから放射される。

導波部材１２２Ｅの４つの終端部（図１６）から放射素子３２０Ａ〜３２０Ｄに至るまでのそれぞれの伝搬距離は、例えば放射素子３２０Ａ〜３２０Ｄが同一の位相で励振される長さに設定され得る。これにより、放射素子３２０Ａ〜３２０Ｄから位相の揃った電磁波が放射される。なお、放射素子３２０Ａ〜３２０Ｄの全てが同じ位相で電磁波を放射する必要はない。励振層および分配層における導波部材１２２のネットワークパターンは任意である。各導波路コンポーネント３５０における導波部材１２２が互いに異なる信号を独立して伝搬しても良い。

以上のように、本実施形態によれば、各々がＷＲＧの構造を有する複数の導波路コンポーネント３５０を積層することにより、従来にない構造のアンテナアレイ４００Ａが実現される。本実施形態のアンテナアレイ４００Ａによれば、中空導波管を用いた従来のアンテナアレイと比較して、放射素子間隔を短縮することができる。前述のように、放射素子間隔は、例えばλｏ未満、より好ましくは、λｏ／２未満にすることができる。

さらに、本実施形態によれば、図８Ａに示すスロットアンテナアレイと比較して、複数のアンテナ素子が配列される面の面積を縮小し得る。このため、図８Ａに示すようなスロットアンテナアレイを配置することが困難な場所にも、本実施形態のアンテナアレイ４００Ａを設置できる場合があり得る。

放射素子３２０の数および配列方向は、上記の例に限定されない。例えば、積層数を増加させて、Ｚ方向に５個以上の放射素子３２０が並ぶアンテナアレイを構成してもよい。各導波路コンポーネント３５０が、Ｚ方向またはこれに傾斜した方向にのみ配列された一次元のアンテナアレイを構成してもよい。

本実施形態におけるアンテナアレイ４００Ａを用いることにより、例えばレーダ装置を実現することができる。レーダ装置は、アンテナアレイ４００Ａと、アンテナアレイ４００Ａに接続された少なくとも１つのマイクロ波集積回路とを備える。マイクロ波集積回路は、例えば図１６に示す電子回路２９０に相当する。マイクロ波集積回路がアンテナアレイ４００Ａに「接続される」とは、マイクロ波集積回路と、アンテナアレイ４００Ａにおける複数の放射素子３２０との間で電磁波の伝送が可能な態様で両者が接続されることを意味する。さらに、当該レーダ装置と、マイクロ波集積回路に接続された信号処理回路とを備えるレーダシステムを構築することができる。そのようなレーダシステムの例については、後述する。

次に、本実施形態の変形例を説明する。

図１７Ａは、実施形態１の変形例におけるアンテナアレイ４００Ｂを示す断面図である。本変形例では、第１および第３の導波路コンポーネント３５０Ａ、３５０Ｃにおける導波部材と導電性表面との位置関係が、前述のアンテナアレイ４００Ａとは逆になっている。より具体的には、第１の導波路コンポーネント３５０Ａにおいて、導波部材１２２Ａおよび複数の導電性ロッド１２４Ａは、第２の導電部材３１０Ｂではなく第１の導電部材３１０Ａに接続されている。同様に、第３の導波路コンポーネント３５０Ａにおいて、導波部材１２２Ｃおよび複数の導電性ロッド１２４Ｃは、第４の導電部材３１０Ｄではなく第３の導電部材３１０Ｃに接続されている。本変形例におけるアンテナアレイ４００Ｂでは、アンテナアレイ４００Ａと比較して、第１の放射素子３２０Ａと第２の放射素子３２０Ｂとの間隔、および第２の放射素子３２０Ｃと第４の放射素子３２０Ｄとの間隔が短い。このため、本変形例では、各放射器３３０は、導波部材１２２の端部に繋がる部分のみを有し、導電部材３１０の端縁に繋がる部分を有していない。

本変形例では、放射素子３２０Ａおよび３２０Ｂから出た電磁波は、放射器３３０Ａおよび３３０Ｂによって波面が整形されて放射される。同様に、放射素子３２０Ｃおよび３２０Ｄから出た電磁波は、放射器３３０Ｃおよび３３０Ｄによって波面が整形されて放射される。このような構造によっても、実施形態１のアンテナアレイ４００Ａと同様の機能が実現される。

図１７Ｂは、本実施形態の他の実施形態を示す図である。図示されるように、ある層の導電部材３１０に設けられた１つのポート１４５から複数の経路（図の例では４つの経路）に分岐した導波部材１２２の端部に、複数の放射素子が設けられた構成であってもよい。各導波路コンポーネントが、図１７Ｂに示される構成を有していてもよい。この例では、ポート１４５から、各放射素子までの伝搬距離が等しい。このため、同じ位相および振幅の電磁波がＸ方向に並ぶ複数の放射素子から放射され得る。

（実施形態２）
図１８は、本開示の実施形態２におけるアンテナアレイ４００Ｃを示す断面図である。本実施形態のアンテナアレイ４００Ｃは、各層における導波部材１２２と給電層（図１６参照）とを繋ぐＺ方向に延びる導波路が、導波管ではなくリッジ導波路である点で、実施形態１と異なっている。

アンテナアレイ４００Ｃが備える複数の導電部材のうち、導電部材３１０Ｂ、３１０Ｃ、３１０Ｄ、３１０Ｅは、ＹＺ面に平行な断面においてＬ字型の形状を有する。本実施形態では、導波部材１２２Ａおよび複数の導電性ロッド１２４Ａは、導電部材３１０Ａに接続されている。導波部材１２２Ｂおよび複数の導電性ロッド１２４Ｂは、導電部材３１０Ｂに接続されている。導波部材１２２Ｃおよび複数の導電性ロッド１２４Ｃは、導電部材３１０Ｃに接続されている。導波部材１２２Ｄおよび複数の導電性ロッド１２４Ｄは、導電部材３１０Ｄに接続されている。

本実施形態のアンテナアレイ４００Ｃは、さらに、ＹＺ面に平行な断面の形状がＬ字型である導電部材３１０Ａ’、３１０Ｂ’、３１０Ｃ’、３１０Ｄ’を備えている。導電部材３１０Ａ’は、導電部材３１０Ａに対向する部分と、導電部材３１０ＢのＺ方向に延びる部分に対向する部分とを含む。導電部材３１０Ｂ’は、導電部材３１０Ｂに対向する部分と、導電部材３１０ＣのＺ方向に延びる部分に対向する部分とを含む。導電部材３１０Ｃ’は、導電部材３１０Ｃに対向する部分と、導電部材３１０ＤのＺ方向に延びる部分に対向する部分とを含む。導電部材３１０Ｄ’は、導電部材３１０Ｄに対向する部分と、導電部材３１０ＥのＺ方向に延びる部分に対向する部分とを含む。

導電部材３１０Ａ’には、導波部材１２２Ａ’と、その両側の複数の導電性ロッド（不図示）とが接続されている。導波部材１２２Ａ’は、導電部材３１０Ｂの導電性表面に対向し、Ｚ方向に延びるストライプ形状の導波面を有する。導電部材３１０Ｂ’には、導波部材１２２Ｂ’と、その両側の複数の導電性ロッド（不図示）とが接続されている。導波部材１２２Ｂ’は、導電部材３１０Ｃの導電性表面に対向し、Ｚ方向に延びるストライプ形状の導波面を有する。導電部材３１０Ｃ’には、導波部材１２２Ｃ’と、その両側の複数の導電性ロッド（不図示）とが接続されている。導波部材１２２Ｃ’は、導電部材３１０Ｄの導電性表面に対向し、Ｚ方向に延びるストライプ形状の導波面を有する。導電部材３１０Ｄ’には、導波部材１２２Ｄ’と、その両側の複数の導電性ロッド（不図示）とが接続されている。導波部材１２２Ｄ’は、導電部材３１０Ｅの導電性表面に対向し、Ｚ方向に延びるストライプ形状の導波面を有する。

本実施形態において、第１の導波路コンポーネントは、導電部材３１０Ａと、導波部材１２２Ａと、その両側の複数の導電性ロッド１２４Ａと、導電部材３１０Ｂの一部（上側の部分）とを含む。第２の導波路コンポーネントは、導電部材３１０Ｂの一部（下側の部分）と、導波部材１２２Ｂと、その両側の複数の導電性ロッド１２４Ｂと、導電部材３１０Ｃの一部（上側の部分）とを含む。第３の導波路コンポーネントは、導電部材３１０Ｃの他の一部（下側の部分）と、導波部材１２２Ｃと、その両側の複数の導電性ロッド１２４Ｃと、導電部材３１０Ｄの一部（上側の部分）とを含む。第４の導波路コンポーネントは、導電部材３１０Ｄの一部（下側の部分）と、導波部材１２２Ｄと、その両側の複数の導電性ロッド１２４Ｄと、導電部材３１０Ｅとを含む。

図１９Ａは、本実施形態におけるアンテナアレイ４００Ｃの構造の一部を模式的に示す斜視図である。図１９Ａは、一例として、導電部材３１０Ａ、３１０Ｂ、３１０Ａ’、導波部材１２２Ａ、１２２Ａ’、および複数の導電性ロッド１２４Ａ、１２４Ａ’の一部を示している。なお、図１９Ａにおいて、導電部材３１０Ｂに接続されている導波部材１２２Ｂおよび複数の導電性ロッド１２４Ｂの図示は省略されている。図１９Ａに示される構造は、図１等を参照して説明した導波路装置１００を２つ結合させたような構造に相当する。２つのリッジ導波路がほぼ垂直に接続され、接続部において電磁波の電界方向（導波面に垂直な方向）が約９０度変化する。これにより、電磁波の伝搬方向を約９０度変化させることができる。

図１９Ｂは、わかり易さのため、図１９Ａに示す構造から導電部材３１０Ｂを除いた構造を示している。導波部材１２２Ａの基部、および複数の導電性ロッド１２４Ａの基部は、導電部材３１０Ａの導電性表面に接続されている。導波部材１２２Ａは、導電部材３１０Ｂの導電性表面に沿ってＹ方向に延びるストライプ形状の導波面１２２Ａａを有する。複数の導電性ロッド１２４Ａは、導波部材１２２Ａの両側に位置し、各々が導電部材３１０Ｂの導電性表面に対向する先端部を持つ。複数の導電性ロッド１２４Ａの配列は人工磁気導体として機能する。人工磁気導体の存在により、導波部材１２２Ａの導波面１２２Ａａに沿って電磁波を伝搬させることができる。

同様に、導波部材１２２Ａ’の基部、および複数の導電性ロッド１２４Ａ’の基部は、導電部材３１０Ａ’の導電性表面に接続されている。導波部材１２２Ａ’は、導電部材３１０Ｂの導電性表面に沿ってＺ方向に延びるストライプ形状の導波面１２２Ａ’ａを有する。複数の導電性ロッド１２４Ａ’は導波部材１２２Ａ’の両側に位置し、各々が導電部材３１０Ｂの導電性表面に対向する先端部を持つ。複数の導電性ロッド１２４Ａ’の配列も人工磁気導体として機能する。人工磁気導体の存在により、導波部材１２２Ａ’の導波面１２２Ａ’ａに沿って電磁波を伝搬させることができる。

図１９Ａおよび図１９Ｂは、放射素子３２０Ａに繋がるＬ字型のリッジ導波路の構造を示している。他の放射素子３２０Ｂ、３２０Ｃ、３２０Ｄに繋がるＬ字型のリッジ導波路も同様の構造を有する。図１９Ａに示すような構造体を積層することにより、図１８に示すアンテナアレイ４００Ｃが実現される。

本実施形態の構成によっても、Ｚ方向に並ぶ４個の放射素子３２０Ａ〜３２０Ｄを用いて、信号波の送信および受信の少なくとも一方を行うことができる。実施形態１と同様、放射素子の間隔の短いアンテナアレイを実現することができる。

図２０は、本実施形態の変形例を示す断面図である。本変形例では、図２０に示す断面において、導電部材３１０Ａ、３１０ＥがＬ字型の形状を有し、導電部材３１０Ｂ、３１０Ｃ、３１０ＤがＦ字型の形状を有している。導波部材１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、１２２Ｄは、それぞれ、導電部材３１０Ａ、３１０Ｂ、３１０Ｃ、３１０Ｄに沿ったＬ字型の形状を有する。導電部材３１０Ａ、３１０Ｂ、３１０Ｃ、３１０ＤにおいてＺ方向に延びる部分は、それぞれ、導電部材３１０Ｂ、３１０Ｃ、３１０Ｄ、３１０ＥにおいてＺ方向に延びる部分に対向している。本変形例の構成によっても、同様の機能を実現することができる。

（他の変形例）
本開示のアンテナアレイは、上記の実施形態に限定されず、多様な変形が可能である。以下、アンテナアレイの他の変形例を説明する。

図２１Ａから図２１Ｃは、アンテナアレイにおける複数の導波路コンポーネントのうちの隣接する２つの導波路コンポーネント３５０Ａ、３５０Ｂの、ＹＺ面に平行な断面の構成の類型を示している。図２２Ａから図２２Ｃは、それぞれ、図２１Ａから図２１Ｃに示す構成におけるＸＺ面に平行な断面を示す図である。いずれの例においても、各導波路コンポーネントは、導電性表面を有する導電部材と、当該導電性表面に対向する導電性の導波面を有する少なくとも１つの導波部材と、当該導波部材の両側の人工磁気導体とを備えている。しかし、導波路コンポーネント３５０Ａ、３５０Ｂにおける各部材の配置関係が、それぞれの例で異なっている。

図２１Ａおよび図２２Ａは、隣接する２つの導波路コンポーネント３５０Ａ、３５０Ｂの構造の第１の例を示している。この例では、導電部材３１０Ａの導電性表面が、第１の導波路コンポーネント３５０Ａにおける導電部材の導電性表面に該当する。第１の導波路コンポーネント３５０Ａにおける導波部材１２２Ａおよびその両側の複数の導電性ロッド１２４Ａは、板形状の導電部材３１０Ｂの一方の表面に配置されている。板形状の導電部材３１０Ｂの他方の表面は、第２の導波路コンポーネント３５０Ｂにおける導電部材の導電性表面に該当する。

図２１Ｂおよび図２２Ｂは、隣接する２つの導波路コンポーネント３５０Ａ、３５０Ｂの構造の第２の例を示している。この例では、板形状の導電部材３１０Ｂの一方の表面が、第１の導波路コンポーネント３５０Ａにおける導電部材の導電性表面に該当する。板形状の導電部材３１０Ｂの他方の表面は、第２の導波路コンポーネント３５０Ｂにおける導電部材の導電性表面に該当する。この例では、第１の導波路コンポーネント３５０Ａにおける導電部材と、第２の導波路コンポーネント３５０Ｂにおける導電部材とは、単一の板形状の導電部材３１０Ｂの部分である。

図２１Ｃおよび図２２Ｃは、隣接する２つの導波路コンポーネント３５０Ａ、３５０Ｂの構造の第３の例を示している。この例では、導電部材３１０Ａの導電性表面が、第１の導波路コンポーネント３５０Ａにおける導電部材の導電性表面に該当する。板形状の導電部材３１０Ｂの一方の表面には、第１の導波路コンポーネント３５０Ａにおける導波部材１２２Ａが配置されている。板形状の導電部材３１０Ｂの他方の表面には、第２の導波路コンポーネント３５０Ｂにおける導波部材１２２Ｂが配置されている。導電部材３１０Ｃの導電性表面は、第２の導波路コンポーネント３５０Ｂにおける導電部材の導電性表面に該当する。

アンテナアレイが備える複数の導波路コンポーネントのうちの隣接する２つの導波路コンポーネントの構造は、上記の３種類の構造のいずれであってもよい。上記３種類の構造のうちの２種類以上を組み合わせて１つのアンテナアレイを構成してもよい。すなわち、３個以上の導波路コンポーネントを備えるアンテナアレイにおいて、隣接する２つの導波路コンポーネントの組み合わせが、上記３種類の構造の１つに相当し、隣接する他の２つの導波路コンポーネントの組み合わせが、上記３種類の構造の他の１つに相当していてもよい。

図２３Ａから図２３Ｃは、各導波路コンポーネント３５０が、複数の導波部材１２２を備える構成の例を示している。図２３Ａから図２３Ｃは、それぞれ、図２２Ａから図２２Ｃに示す構成において、導波部材１２２Ａ、１２２Ｂの数を３個に増加させた構成を示している。このような構成により、Ｘ方向およびＺ方向に二次元に並ぶ複数の放射素子を備えるアンテナアレイを実現できる。なお、各導波路コンポーネント３５０に含まれる導波部材１２２の数は、３個に限らず、任意の数でよい。導波路コンポーネント３５０によって導波部材１２２の数が異なっていてもよい。

図２４Ａおよび図２４Ｂは、導波部材１２２のＸ方向の位置が導波路コンポーネント３５０Ａ、３５０Ｂによって異なっている例を示している。図２４Ａは、各導波路コンポーネント３５０が１つの導波部材１２２を備える例を示している。図２４Ｂは、各導波路コンポーネント３５０が３つの導波部材１２２を備える例を示している。これらの例のように、複数の導波路コンポーネント３５０における複数の導波部材１２２は、導波面に垂直な方向から傾斜した方向に並んでいてもよい。

図２５は、図２３Ａに示す例から、さらに導波部材１２２の数を増加させたアンテナアレイの一例を示している。この例に示すアンテナアレイは、４個の導波路コンポーネント３５０Ａ〜３５０Ｄを備えている。各導波路コンポーネントは、５個の導波部材１２２を備えている。このような構成により、二次元に配列された２０個の放射素子を備えるアンテナアレイが実現される。放射素子の数は２０個に限らず、任意の数でよい。また、複数の放射素子（または複数の導波面の端部）は、導電部材３１０の導電性表面に垂直な方向に限らず、導電性表面と交差する方向に延びる複数の直線に沿った列を成していればよい。

図２６は、複数の放射素子が一次元に配列されたアンテナアレイの一例を示している。この例では、アンテナアレイは、５個の導波路コンポーネント３５０Ａ〜３５０Ｅを備えている。各導波路コンポーネントは、１個の導波部材１２２を備えている。このような構成により、１行５列に配列された５個の放射素子を有するアンテナアレイが実現される。放射素子の数は５個に限らず、任意の数でよい。また、複数の放射素子（または複数の導波面の端部）は、導電部材３１０の導電性表面に垂直な方向に限らず、導電性表面と交差する方向に延びる１つの直線に沿った列を成していればよい。

以上の実施形態では、例えば図１２Ａに示すように、導波部材１２２の導波面の端部１２２ｅの位置と、導電部材３１０の端縁３１０ｅの位置とが、導波面が延びる方向（Ｙ方向）において、同一である。しかし、本開示のアンテナアレイは、そのような形態に限定されない。

図２７Ａは、ある実施形態におけるアンテナアレイの隣接する２つの導波路コンポーネント３５０Ａ、３５０Ｂの構造の一部を示す断面図である。この例において、導波路コンポーネント３５０Ａにおける導波部材１２２Ａの導波面は、少なくとも端部１２２Ａｅにおいて、第１の方向（Ｙ方向）に延びている。導電部材３１０Ａの導電性表面において放射素子３２０Ａに最も近い端縁３１０Ａｅは、第１の方向に交差する第２の方向（この例ではＸ方向）に沿って拡がっている。図２７Ａからわかるように、導波部材１２２Ａの導波面の端部１２２Ａｅの位置と、導電部材３１０Ａの導電性表面の端縁３１０Ａｅの位置とは、Ｙ方向において異なっている。導波部材１２２Ａの導波面の端部１２２Ａｅと導電部材３１０Ａの導電性表面の端縁３１０Ａｅとの第１の方向における隔たりａ１は、導波面の端部１２２Ａｅと導電性表面との間隔ｄ１よりも小さい（ａ１＜ｄ１）。導波路コンポーネント３５０Ｂについても同様に、導波部材１２２Ｂの導波面の端部１２２Ｂｅの位置と、導電部材３１０Ｂの導電性表面の端縁３１０Ｂｅの位置とは、Ｙ方向において異なっている。導波部材１２２Ｂの導波面の端部１２２Ｂｅと導電部材３１０Ｂの導電性表面の端縁３１０ＢｅとのＹ方向における隔たりａ２は、導波面の端部１２２Ａｅと導電性表面との間隔ｄ２よりも小さい（ａ２＜ｄ２）。

この例のように、複数の導波路コンポーネントの少なくとも１つにおいて、導波部材の導波面の端部の位置および導電性表面の端縁の位置は、Ｙ方向において異なっていてもよい。導波部材の導波面の端部と導電部材の導電性表面の端縁とのＹ方向における隔たり（距離）が小さければ、放射素子の機能を損なうことなく、好適なアンテナアレイを実現できる。

以上の実施形態では、アンテナアレイにおける複数の放射素子は、Ｙ方向（放射素子を規定する導波面の端部が延びる方向）に垂直な平面上に配列されている。しかし、本開示はこのような形態に限定されない。アンテナアレイにおける複数の放射素子は、例えばＹ方向に垂直な平面に対して傾斜した平面上または曲面上に配列されていてもよい。図２７Ｂは、複数の放射素子が、Ｙ方向に垂直な平面に対して傾斜した平面上に配列された構成の一例を示している。図２７ＢにはＺ軸に対して傾斜した直線に沿って配列された３つの放射素子３２０Ａ、３２０Ｂ、３２０Ｃのみが示されているが、Ｘ方向にも複数の放射素子が配列されている。このような構成によれば、正面方向（−Ｙ方向）とは異なる方向への電磁波の放射に適したアンテナアレイが実現される。この例に限らず、放射素子の配列方法は、用途に応じて多様であり得る。

また、以上の実施形態では本開示にかかわる構成を用いて、放射素子の配置間隔を短くした例を説明しているが、本開示は放射素子の配置間隔が、例えば自由空間波長λｏよりも長いアンテナアレイ、または、単独の放射素子にも適用し得る。本開示にかかわる構成においては、導波路コンポーネントを介して放射素子に電磁波が供給される。導波路コンポーネントは、電磁波を伝搬させる際の損失が非常に小さいため、高効率のアンテナアレイ、または単独の放射素子を構成する事が出来る。

また、更に異なる効果を得ることを目的として本開示の構成を使用することも出来る。例えば、図８Ａに示されているスロットアンテナアレイ２００においては、一つの導電部材１２０の異なる位置に複数のスロット１１２が結合しているため、電磁波を生成する回路（不図示）から各スロット１１２までの導波路上の距離は異なる。このため、特定の周波数において複数のスロット１１２に等しい位相で給電されている場合でも、周波数が異なると等しい位相で給電する事は出来なくなる。その状態では、スロットアンテナアレイ２００は正常に機能しない。あるいは、性能が低下する。言い換えれば、図８Ａに示されているスロットアンテナアレイ２００は、機能し得る周波数帯域の幅が比較的狭い。しかし、例えば図１２Ａに示すような本開示にかかわるアンテナアレイ４００Ａは、広帯域で機能し得る。アンテナアレイ４００Ａにおいては、各放射素子３２０Ａ、３２０Ｂ、３２０Ｃ、３２０Ｄは、別々の導波部材１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、１２２Ｄによって給電されている。よって、電磁波を生成する回路から各導波部材までの導波路の長さを調節することで、電磁波を生成する回路から各放射素子までの導波路の長さを等しくすることが可能である。そのような構成においては、電磁波の周波数にかかわらず、各放射素子には位相の等しい電磁波が給電されるため、非常に広い周波数帯域に亘って等しい位相で給電される状態が実現され得る。広い周波数帯域に亘って等しい位相で給電し得る効果は、例えば図１７、１８、２０にそれぞれ示すアンテナアレイ４００Ｂ、４００Ｃ、４００Ｄについても同様に得られる。

本開示の実施形態におけるアンテナ装置またはアンテナアレイは、例えば車両、船舶、航空機、ロボット等の移動体に搭載されるレーダ装置またはレーダシステムに好適に用いられ得る。本開示の実施形態のアンテナアレイは、小型化が可能な多層のＷＲＧ構造を備えているため、従来の導波管を用いた構成と比較して、アンテナ素子が配列される面の面積を著しく小さくすることができる。このため、当該アンテナ装置を搭載したレーダシステムを、例えば車両のリアビューミラーの鏡面の反対側の面のような狭小な場所、またはＵＡＶ（Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ、所謂ドローン）のような小型の移動体にも容易に搭載することができる。

＜応用例：車載レーダシステム＞
次に、上述したアンテナアレイ（アレーアンテナ）を利用する応用例として、アレーアンテナを備えた車載レーダシステムの一例を説明する。車載レーダシステムに利用される送信波は、たとえば７６ギガヘルツ（ＧＨｚ）帯の周波数を有し、その自由空間中の波長λｏは約４ｍｍである。

自動車の衝突防止システムや自動運転などの安全技術には、特に自車両の前方を走行する１または複数の車両（物標）の識別が不可欠である。車両の識別方法として、従来からレーダシステムを用いた到来波の方向を推定する技術の開発が進められてきた。

図２８は、自車両５００と、自車両５００と同じ車線を走行している先行車両５０２とを示す。自車両５００は、上述した実施形態にアレーアンテナを有する車載レーダシステムを備えている。自車両５００の車載レーダシステムが高周波の送信信号を放射すると、その送信信号は先行車両５０２に到達して先行車両５０２で反射され、その一部は再び自車両５００に戻る。車載レーダシステムは、その信号を受信して、先行車両５０２の位置、先行車両５０２までの距離、速度等を算出する。

図２９は、自車両５００の車載レーダシステム５１０を示す。車載レーダシステム５１０は車内に配置されている。より具体的には、車載レーダシステム５１０は、リアビューミラーの鏡面と反対側の面に配置されている。車載レーダシステム５１０は、車内から車両５００の進行方向に向けて高周波の送信信号を放射し、進行方向から到来した信号を受信する。

本応用例による車載レーダシステム５１０は、上記の実施形態における複数の放射素子（アンテナ素子）が二次元に配列されたアンテナアレイを有している。本応用例では、複数のアンテナ素子の配列方向が水平方向および鉛直方向に一致するように配置される。このため、複数のアンテナ素子を正面から見たときの横方向および縦方向の寸法を小さくできる。上述のアレーアンテナを含むアンテナ装置の寸法の一例は、横×縦×奥行きが、３０×３０×６０ｍｍである。７６ＧＨｚ帯のミリ波レーダシステムのサイズとしては非常に小型であることが理解される。

なお、従来の多くの車載レーダシステムは、車外、たとえばフロントノーズの先端部に設置されている。その理由は、車載レーダシステムのサイズが比較的大きく、本開示のように車内に設置することが困難であるからである。

本応用例によれば、送信アンテナに用いられる複数の導波部材（リッジ）の間隔を狭くすることができる。これにより、グレーティングローブの影響を抑制することができる。たとえば、隣接する２つのアンテナ素子の中心間隔を送信波の波長λｏの半分未満（約２ｍｍ未満）にした場合にはグレーティングローブは発生しない。アンテナ素子の中心間隔を送信波の波長λｏの半分よりも大きい場合であっても、一般の車載レーダシステム用送信アンテナと比較すると、隣接するアンテナ素子の間隔を狭くすることができる。これにより、グレーティングローブの影響を抑制できる。なお、グレーティングローブは、アンテナ素子の配列間隔が電磁波の波長の半分よりも大きくなると出現し、アンテナ素子の配列間隔が広がるほど主ローブにより近い方位に現れる。送信アンテナのアレーファクタを調整することにより、送信アンテナの指向性を調整することができる。複数の導波部材上を伝送される電磁波の位相を個別に調整できるように、位相シフタを設けてもよい。位相シフタを設けることにより、送信アンテナの指向性を任意の方向に変更することができる。位相シフタの構成は周知であるため、その構成の説明は省略する。

本応用例における受信アンテナは、グレーティングローブに由来する反射波の受信を低減できるため、以下に説明する処理の精度を向上させることができる。以下、受信処理の一例を説明する。

図３０Ａは、車載レーダシステム５１０のアレーアンテナＡＡと、複数の到来波ｋ（ｋ：１〜Ｋの整数；以下同じ。Ｋは異なる方位に存在する物標の数。）との関係を示している。アレーアンテナＡＡは、直線状に配列されたＭ個のアンテナ素子を有する。原理上、アンテナは送信および受信の両方に利用することが可能であるため、アレーアンテナＡＡは送信アンテナおよび受信アンテナの両方を含み得る。以下では受信アンテナが受信した到来波を処理する方法の例を説明する。

アレーアンテナＡＡは、様々な角度から同時に入射する複数の到来波を受ける。複数の到来波の中には、同じ車載レーダシステム５１０の送信アンテナから放射され、物標で反射された到来波が含まれる。さらに、複数の到来波の中には、他の車両から放射された直接的または間接的な到来波も含まれる。

到来波の入射角度（すなわち到来方向を示す角度）は、アレーアンテナＡＡのブロードサイドＢを基準とする角度を表している。到来波の入射角度は、アンテナ素子群が並ぶ直線方向に垂直な方向に対する角度を表す。

いま、ｋ番目の到来波に注目する。「ｋ番目の到来波」とは、異なる方位に存在するＫ個の物標からアレーアンテナにＫ個の到来波が入射しているときにおける、入射角θ_kによって識別される到来波を意味する。

図３０Ｂは、ｋ番目の到来波を受信するアレーアンテナＡＡを示している。アレーアンテナＡＡが受信した信号は、Ｍ個の要素を持つ「ベクトル」として、数１のように表現できる。
（数１）
Ｓ＝［ｓ₁，ｓ₂，…，ｓ_M］^T

ここで、ｓ_m（ｍ：１〜Ｍの整数；以下同じ。）は、ｍ番目のアンテナ素子が受信した信号の値である。上付きのＴは転置を意味する。Ｓは列ベクトルである。列ベクトルＳは、アレーアンテナの構成によって決まる方向ベクトル（ステアリングベクトルまたはモードベクトルと称する。）と、物標（波源または信号源とも称する。）における信号を示す複素ベクトルとの積によって与えられる。波源の個数がＫであるとき、各波源から個々のアンテナ素子に到来する信号の波が線形的に重畳される。このとき、ｓ_mは数２のように表現できる。

数２におけるａ_k、θ_kおよびφ_kは、それぞれ、ｋ番目の到来波の振幅、到来波の入射角度、および初期位相である。λは到来波の波長を示し、ｊは虚数単位である。

数２から理解されるように、ｓ_mは、実部（Ｒｅ）と虚部（Ｉｍ）とから構成される複素数として表現されている。

ノイズ（内部雑音または熱雑音）を考慮してさらに一般化すると、アレー受信信号Ｘは数３のように表現できる。
（数３）
Ｘ＝Ｓ＋Ｎ

Ｎはノイズのベクトル表現である。

信号処理回路は、数３に示されるアレー受信信号Ｘを用いて到来波の自己相関行列Ｒｘｘ（数４）を求め、さらに自己相関行列Ｒｘｘの各固有値を求める。

ここで、上付きのＨは複素共役転置（エルミート共役）を表す。

求めた複数の固有値のうち、熱雑音によって定まる所定値以上の値を有する固有値（信号空間固有値）の個数が、到来波の個数に対応する。そして、反射波の到来方向の尤度が最も大きくなる（最尤度となる）角度を算出することにより、物標の数および各物標が存在する角度を特定することができる。この処理は、最尤推定法として公知である。

次に、図３１を参照する。図３１は、本開示による車両走行制御装置６００の基本構成の一例を示すブロック図である。図３１に示される車両走行制御装置６００は、車両に実装されたレーダシステム５１０と、レーダシステム５１０に接続された走行支援電子制御装置５２０とを備えている。レーダシステム５１０は、アレーアンテナＡＡと、レーダ信号処理装置５３０とを有している。

アレーアンテナＡＡは、複数のアンテナ素子を有しており、その各々が１個または複数個の到来波に応答して受信信号を出力する。上述のように、アレーアンテナＡＡは高周波のミリ波を放射することも可能である。なお、アレーアンテナＡＡは、実施形態２におけるアレーアンテナに限らず、受信に適した他のアレーアンテナであってもよい。

レーダシステム５１０のうち、アレーアンテナＡＡは車両に取り付けられる必要がある。しかしながらレーダ信号処理装置５３０の少なくとも一部の機能は、車両走行制御装置６００の外部（例えば自車両の外）に設けられたコンピュータ５５０およびデータベース５５２によって実現されてもよい。その場合、レーダ信号処理装置５３０のうちで車両内に位置する部分は、車両の外部に設けられたコンピュータ５５０およびデータベース５５２に、信号またはデータの双方向通信が行えるように、常時または随時に接続され得る。通信は、車両が備える通信デバイス５４０、および一般の通信ネットワークを介して行われる。

データベース５５２は、各種の信号処理アルゴリズムを規定するプログラムを格納していても良い。レーダシステム５１０の動作に必要なデータおよびプログラムの内容は、通信デバイス５４０を介して外部から更新され得る。このように、レーダシステム５１０の少なくとも一部の機能は、クラウドコンピューティングの技術により、自車両の外部(他の車両の内部を含む)において実現し得る。したがって、本開示における「車載」のレーダシステムは、構成要素のすべてが車両に搭載されていることを必要としない。ただし、本願では、簡単のため、特に断らない限り、本開示の構成要素のすべてが１台の車両（自車両）に搭載されている形態を説明する。

レーダ信号処理装置５３０は、信号処理回路５６０を有している。この信号処理回路５６０は、アレーアンテナＡＡから直接または間接に受信信号を受け取り、受信信号、または受信信号から生成した二次信号を到来波推定ユニットＡＵに入力する。受信信号から二次信号を生成する回路（不図示）の一部または全部は、信号処理回路５６０の内部に設けられている必要はない。このような回路（前処理回路）の一部または全部は、アレーアンテナＡＡとレーダ信号処理装置５３０との間に設けられていても良い。

信号処理回路５６０は、受信信号または二次信号を用いて演算を行い、到来波の個数を示す信号を出力するように構成されている。ここで、「到来波の個数を示す信号」は、自車両の前方を走行する１または複数の先行車両の数を示す信号ということができる。

この信号処理回路５６０は、公知のレーダ信号処理装置が実行する各種の信号処理を実行するように構成されていればよい。例えば、信号処理回路５６０は、ＭＵＳＩＣ法、ＥＳＰＲＩＴ法、およびＳＡＧＥ法などの「超分解能アルゴリズム」（スーパーレゾリューション法）、または相対的に分解能が低い他の到来方向推定アルゴリズムを実行するように構成され得る。

図３１に示す到来波推定ユニットＡＵは、任意の到来方向推定アルゴリズムにより、到来波の方位を示す角度を推定し、推定結果を示す信号を出力する。信号処理回路５６０は、到来波推定ユニットＡＵが公知のアルゴリズムにより、到来波の波源である物標までの距離、物標の相対速度、物標の方位を推定し、推定結果を示す信号を出力する。

本開示における「信号処理回路」の用語は、単一の回路に限られず、複数の回路の組み合わせを概念的に１つの機能部品として捉えた態様も含む。信号処理回路５６０は、１個または複数のシステムオンチップ（ＳｏＣ）によって実現されても良い。例えば、信号処理回路５６０の一部または全部がプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）であるＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）であってもよい。その場合、信号処理回路５６０は、複数の演算素子（例えば汎用ロジックおよびマルチプライヤ）および複数のメモリ素子（例えばルックアップテーブルまたはメモリブロック）を含む。または、信号処理回路５６０は、汎用プロセッサおよびメインメモリ装置の集合であってもよい。信号処理回路５６０は、プロセッサコアとメモリとを含む回路であってもよい。これらは信号処理回路５６０として機能し得る。

走行支援電子制御装置５２０は、レーダ信号処理装置５３０から出力される各種の信号に基づいて車両の走行支援を行うように構成されている。走行支援電子制御装置５２０は、所定の機能を発揮するように各種の電子制御ユニットに指示を行う。所定の機能は、例えば、先行車両までの距離（車間距離）が予め設定された値よりも短くなったときに警報を発してドライバにブレーキ操作を促す機能、ブレーキを制御する機能、アクセルを制御する機能を含む。例えば、自車両のアダプティブクルーズコントロールを行う動作モードのとき、走行支援電子制御装置５２０は、各種の電子制御ユニット（不図示）およびアクチュエータに所定の信号を送り、自車両から先行車両までの距離を予め設定された値に維持したり、自車両の走行速度を予め設定された値に維持したりする。

ＭＵＳＩＣ法による場合、信号処理回路５６０は、自己相関行列の各固有値を求め、それらのうちの熱雑音によって定まる所定値（熱雑音電力）より大きい固有値（信号空間固有値）の個数を、到来波の個数を示すとして出力する。

次に、図３２を参照する。図３２は、車両走行制御装置６００の構成の他の例を示すブロック図である。図３２の車両走行制御装置６００におけるレーダシステム５１０は、受信専用のアレーアンテナ（受信アンテナとも称する。）Ｒｘおよび送信専用のアレーアンテナ（送信アンテナとも称する。）Ｔｘを含むアレーアンテナＡＡと、物体検知装置５７０とを有している。

送信アンテナＴｘおよび受信アンテナＲｘの少なくとも一方は、上述した導波路構造を有している。送信アンテナＴｘは、例えばミリ波である送信波を放射する。受信専用の受信アンテナＲｘは、１個または複数個の到来波（例えばミリ波）に応答して受信信号を出力する。

送受信回路５８０は、送信波のための送信信号を送信アンテナＴｘに送り、また、受信アンテナＲｘで受けた受信波による受信信号の「前処理」を行う。前処理の一部または全部は、レーダ信号処理装置５３０の信号処理回路５６０によって実行されても良い。送受信回路５８０が行う前処理の典型的な例は、受信信号からビート信号を生成すること、および、アナログ形式の受信信号をデジタル形式の受信信号に変換することを含み得る。

なお、本開示によるレーダシステムは、車両に搭載される形態の例に限定されず、道路または建物に固定されて使用され得る。

続いて、車両走行制御装置６００のより具体的な構成の例を説明する。

図３３は、車両走行制御装置６００のより具体的な構成の例を示すブロック図である。図３０に示される車両走行制御装置６００は、レーダシステム５１０と、車載カメラシステム７００とを備えている。レーダシステム５１０は、アレーアンテナＡＡと、アレーアンテナＡＡに接続された送受信回路５８０と、信号処理回路５６０とを有している。

車載カメラシステム７００は、車両に搭載される車載カメラ７１０と、車載カメラ７１０によって取得された画像または映像を処理する画像処理回路７２０とを有している。

本応用例における車両走行制御装置６００は、アレーアンテナＡＡおよび車載カメラ７１０に接続された物体検知装置４４０と、物体検知装置４４０に接続された走行支援電子制御装置５２０とを備えている。この物体検知装置４４０は、前述した信号処理装置５３０に加えて、送受信回路５８０および画像処理回路７２０を含んでいる。物体検知装置５７０は、レーダシステム５１０によって得られる情報だけではなく、画像処理回路７２０によって得られる情報を利用して、道路上または道路近傍における物標を検知することができる。例えば自車両が同一方向の２本以上の車線のいずれかを走行中において、自車両が走行している車線がいずれの車線であるかを、画像処理回路７２０によって判別し、その判別の結果を信号処理回路５６０に与えることができる。信号処理回路５６０は、所定の到来方向推定アルゴリズム（たとえばＭＵＳＩＣ法）によって先行車両の数および方位を認識するとき、画像処理回路７２０からの情報を参照することにより、先行車両の配置について、より信頼度の高い情報を提供することが可能になる。

なお、車載カメラシステム７００は、自車両が走行している車線がいずれの車線であるかを特定する手段の一例である。他の手段を利用して自車両の車線位置を特定してもよい。例えば、超広帯域無線（ＵＷＢ：Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）を利用して、複数車線のどの車線を自車両が走行しているかを特定することができる。超広帯域無線は、位置測定および／またはレーダとして利用可能なことは広く知られている。超広帯域無線を利用すれば、路肩のガードレール、または中央分離帯からの距離を特定することが可能である。各車線の幅は、各国の法律等で予め定められている。これらの情報を利用して、自車両が現在走行中の車線の位置を特定することができる。なお、超広帯域無線は一例である。他の無線による電波を利用してもよい。また、レーザレーダを用いてもよい。

アレーアンテナＡＡは、一般的な車載用ミリ波アレーアンテナであり得る。本応用例における送信アンテナＴｘは、ミリ波を送信波として車両の前方に放射する。送信波の一部は、典型的には先行車両である物標によって反射される。これにより、物標を波源とする反射波が発生する。反射波の一部は、到来波としてアレーアンテナ（受信アンテナ）ＡＡに到達する。アレーアンテナＡＡを構成している複数のアンテナ素子の各々は、１個または複数個の到来波に応答して、受信信号を出力する。反射波の波源として機能する物標の個数がＫ個（Ｋは１以上の整数）である場合、到来波の個数はＫ個であるが、到来波の個数Ｋは既知ではない。

図３１の例では、レーダシステム５１０はアレーアンテナＡＡも含めて一体的にリアビューミラーに配置されるとした。しかしながら、アレーアンテナＡＡの個数および位置は、特定の個数および特定の位置に限定されない。アレーアンテナＡＡは、車両の後方に位置する物標を検知できるように車両の後面に配置されてもよい。また、車両の前面または後面に複数のアレーアンテナＡＡが配置されていても良い。アレーアンテナＡＡは、車両の室内に配置されていても良い。アレーアンテナＡＡとして、各アンテナ素子が上述したホーンを有するホーンアンテナが採用される場合でも、そのようなアンテナ素子を備えるアレーアンテナは車両の室内に配置され得る。

信号処理回路５６０は、受信アンテナＲｘによって受信され、送受信回路５８０によって前処理された受信信号を受け取り、処理する。この処理は、受信信号を到来波推定ユニットＡＵに入力すること、
または、受信信号から二次信号を生成して二次信号を到来波推定ユニットＡＵに入力すること、を含む。

図３３の例では、信号処理回路５６０から出力される信号および画像処理回路７２０から出力される信号を受け取る選択回路５９６が物体検知装置５７０内に設けられている。選択回路５４は、信号処理回路５６０から出力される信号および画像処理回路５２から出力される信号の一方または両方を走行支援電子制御装置５２０に与える。

図３４は、本応用例におけるレーダシステム５１０のより詳細な構成例を示すブロック図である。

図３４に示すように、アレーアンテナＡＡは、ミリ波の送信を行う送信アンテナＴｘと、物標で反射された到来波を受信する受信アンテナＲｘとを備えている。図面上では送信アンテナＴｘは１つであるが、特性の異なる２種類以上の送信アンテナが設けられていてもよい。アレーアンテナＡＡは、Ｍ個（Ｍは３以上の整数）のアンテナ素子１１₁、１１₂、・・・、１１_Mを備えている。複数のアンテナ素子１１₁、１１₂、・・・、１１_Mの各々は、到来波に応答して、受信信号Ｓ₁、Ｓ₂、・・・、Ｓ_M（図３４）を出力する。

アレーアンテナＡＡにおいて、アンテナ素子１１₁〜１１_Mは、例えば、固定された間隔を置いて直線状または面状に配列されている。到来波は、アンテナ素子１１₁〜１１_Mが配列されている面の法線に対する角度θの方向からアレーアンテナＡＡに入射する。このため、到来波の到来方向は、この角度θによって規定される。

１個の物標からの到来波がアレーアンテナＡＡに入射するとき、アンテナ素子１１₁〜１１_Mには、同一の角度θの方位から平面波が入射すると近似できる。異なる方位にあるＫ個の物標からアレーアンテナＡＡにＫ個の到来波が入射しているとき、相互に異なる角度θ₁〜θ_Kによって個々の到来波を識別することができる。

図３４に示されるように、物体検知装置５７０は、送受信回路５８０と信号処理回路５６０とを含む。

送受信回路５８０は、三角波生成回路５２１、ＶＣＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ−Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ−Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ：電圧制御可変発振器）５８２、分配器５８３、ミキサ５８４、フィルタ５８５、スイッチ５８６、Ａ／Ｄコンバータ５８７、制御器５８８を備える。本応用例におけるレーダシステムは、ＦＭＣＷ方式でミリ波の送受信を行うように構成されているが、本開示のレーダシステムは、この方式に限定されない。送受信回路５８０は、アレーアンテナＡＡからの受信信号と送信アンテナＴＡのための送信信号とに基づいて、ビート信号を生成するように構成されている。

信号処理回路５６０は、距離検出部５３３、速度検出部５３４、方位検出部５３６を備える。信号処理回路５６０は、送受信回路５８０のＡ／Ｄコンバータ５８７からの信号を処理し、検出された物標までの距離、物標の相対速度、物標の方位を示す信号をそれぞれ出力するように構成されている。

まず、送受信回路５８０の構成および動作を詳細に説明する。

三角波生成回路５８１は三角波信号を生成し、ＶＣＯ５８２に与える。ＶＣＯ５８２は、三角波信号に基づいて変調された周波数を有する送信信号を出力する。図３５は、三角波生成回路５８１が生成した信号に基づいて変調された送信信号の周波数変化を示している。この波形の変調幅はΔｆ、中心周波数はｆ０である。このようにして周波数が変調された送信信号は分配器５８３に与えられる。分配器５８３は、ＶＣＯ５８２から得た送信信号を、各ミキサ５８４および送信アンテナＴｘに分配する。こうして、送信アンテナは、図３５に示されるように三角波状に変調された周波数を有するミリ波を放射する。

図３５には、送信信号に加えて、単一の先行車両で反射された到来波による受信信号の例が記載されている。受信信号は、送信信号に比べて遅延している。この遅延は、自車両と先行車両との距離に比例している。また、受信信号の周波数は、ドップラー効果により、先行車両の相対速度に応じて増減する。

受信信号と送信信号とを混合すると、周波数の差異に基づいてビート信号が生成される。このビート信号の周波数（ビート周波数）は、送信信号の周波数が増加する期間（上り）と、送信信号の周波数が減少する期間（下り）とで異なる。各期間におけるビート周波数が求められると、それらのビート周波数に基づいて、物標までの距離と、物標の相対速度が算出される。

図３６は、「上り」の期間におけるビート周波数ｆｕ、および「下り」の期間におけるビート周波数ｆｄを示している。図３６のグラフにおいて、横軸が周波数、縦軸が信号強度である。このようなグラフは、ビート信号の時間−周波数変換を行うことによって得られる。ビート周波数ｆｕ、ｆｄが得られると、公知の式に基づいて、物標までの距離と、物標の相対速度が算出される。本応用例では、以下に説明する構成および動作により、アレーアンテナＡＡの各アンテナ素子に対応したビート周波数を求め、それに基づいて物標の位置情報を推定することが可能になる。

図３４に示される例において、各アンテナ素子１１₁〜１１_Mに対応したチャンネルＣｈ₁〜Ｃｈ_Mからの受信信号は、増幅器によって増幅され、対応するミキサ５８４に入力される。ミキサ５８４の各々は、増幅された受信信号に送信信号を混合する。この混合により、受信信号と送信信号との間にある周波数差に対応したビート信号が生成される。生成されたビート信号は、対応するフィルタ５８５に与えられる。フィルタ５８５は、チャンネルＣｈ₁〜Ｃｈ_Mのビート信号の帯域制限を行い、帯域制限されたビート信号をスイッチ５８６に与える。

スイッチ５８６は、制御器５８８から入力されるサンプリング信号に応答してスイッチングを実行する。制御器５８８は、例えばマイクロコンピュータによって構成され得る。制御器５８８は、ＲＯＭなどのメモリに格納されたコンピュータプログラムに基づいて、送受信回路５８０の全体を制御する。制御器５８８は、送受信回路５８０の内部に設けられている必要は無く、信号処理回路５６０の内部に設けられていても良い。つまり、送受信回路５８０は信号処理回路５６０からの制御信号にしたがって動作してもよい。または、送受信回路５８０および信号処理回路５６０の全体を制御する中央演算ユニットなどによって、制御器５８８の機能の一部または全部が実現されていても良い。

フィルタ５８５の各々を通過したチャンネルＣｈ₁〜Ｃｈ_Mのビート信号は、スイッチ５８６を介して、順次、Ａ／Ｄコンバータ５８７に与えられる。Ａ／Ｄコンバータ５８７は、サンプリング信号に同期してスイッチ５８６から入力されるチャンネルＣｈ₁〜Ｃｈ_Mのビート信号を、サンプリング信号に同期してデジタル信号に変換する。

以下、信号処理回路５６０の構成および動作を詳細に説明する。本応用例では、ＦＭＣＷ方式によって、物標までの距離および物標の相対速度を推定する。レーダシステムは、以下に説明するＦＭＣＷ方式に限定されず、２周波ＣＷまたはスペクトル拡散などの他の方式を用いても実施可能である。

図３４に示される例において、信号処理回路５６０は、メモリ５３１、受信強度算出部５３２、距離検出部５３３、速度検出部５３４、ＤＢＦ（デジタルビームフォーミング）処理部５３５、方位検出部５３６、物標引継ぎ処理部５３７、相関行列生成部５３８、物標出力処理部５３９および到来波推定ユニットＡＵを備えている。前述したように、信号処理回路５６０の一部または全部がＦＰＧＡによって実現されていてもよく、汎用プロセッサおよびメインメモリ装置の集合によって実現されていてもよい。メモリ５３１、受信強度算出部５３２、ＤＢＦ処理部５３５、距離検出部５３３、速度検出部５３４、方位検出部５３６、物標引継ぎ処理部５３７、および到来波推定ユニットＡＵは、それぞれ、別個のハードウェアによって実現される個々の部品であってもよいし、１つの信号処理回路における機能上のブロックであってもよい。

図３７は、信号処理回路５６０がプロセッサＰＲおよびメモリ装置ＭＤを備えるハードウェアによって実現されている形態の例を示している。このような構成を有する信号処理回路５６０も、メモリ装置ＭＤに格納されたコンピュータプログラムの働きにより、図３４に示す受信強度算出部５３２、ＤＢＦ処理部５３５、距離検出部５３３、速度検出部５３４、方位検出部５３６、物標引継ぎ処理部５３７、相関行列生成部５３８、到来波推定ユニットＡＵの機能が果たされ得る。

本応用例における信号処理回路５６０は、デジタル信号に変換された各ビート信号を受信信号の二次信号として、先行車両の位置情報を推定し、推定結果を示す信号を出力するよう構成されている。以下、本応用例における信号処理回路５６０の構成および動作を詳細に説明する。

信号処理回路５６０内のメモリ５３１は、Ａ／Ｄコンバータ５２７から出力されるデジタル信号をチャンネルＣｈ₁〜Ｃｈ_Mごとに格納する。メモリ５３１は、例えば、半導体メモリ、ハードディスクおよび／または光ディスクなどの一般的な記憶媒体によって構成され得る。

受信強度算出部５３２は、メモリ５３１に格納されたチャンネルＣｈ₁〜Ｃｈ_Mごとのビート信号（図３５の下図）に対してフーリエ変換を行う。本明細書では、フーリエ変換後の複素数データの振幅を「信号強度」と称する。受信強度算出部５３２は、複数のアンテナ素子のいずれかの受信信号の複素数データ、または、複数のアンテナ素子のすべての受信信号の複素数データの加算値を周波数スペクトルに変換する。こうして得られたスペクトルの各ピーク値に対応するビート周波数、すなわち距離に依存した物標（先行車両）の存在を検出することができる。全アンテナ素子の受信信号の複素数データを加算すると、ノイズ成分が平均化されるため、Ｓ／Ｎ比が向上する。

物標、すなわち先行車両が１個の場合、フーリエ変換の結果、図３６に示されるように、周波数が増加する期間（「上り」の期間）および減少する期間（「下り」の期間）に、それぞれ、１個のピーク値を有するスペクトルが得られる。「上り」の期間におけるピーク値のビート周波数を「ｆｕ」、「下り」の期間におけるピーク値のビート周波数を「ｆｄ」をする。

受信強度算出部５３２は、ビート周波数毎の信号強度から、予め設定された数値（閾値）を超える信号強度を検出することによって、物標が存在していることを判定する。受信強度算出部５３２は、信号強度のピークを検出した場合、ピーク値のビート周波数（ｆｕ、ｆｄ）を対象物周波数として距離検出部５３３、速度検出部５３４へ出力する。受信強度算出部５３２は、周波数変調幅Δｆを示す情報を距離検出部５３３へ出力し、中心周波数ｆ０を示す情報を速度検出部５３４へ出力する。

受信強度算出部５３２は、複数の物標に対応する信号強度のピークが検出された場合には、上りのピーク値と下りのピーク値とを予め定められた条件によって対応づける。同一の物標からの信号と判断されたピークに同一の番号を付与し、距離検出部５３３および速度検出部５３４に与える。

複数の物標が存在する場合、フーリエ変換後、ビート信号の上り部分とビート信号の下り部分のそれぞれに物標の数と同じ数のピークが表れる。レーダと物標の距離に比例して、受信信号が遅延し、図３５における受信信号は右方向にシフトするので、レーダと物標との距離が離れるほど、ビート信号の周波数は、小さくなる。

距離検出部５３３は、受信強度算出部５３２から入力されるビート周波数ｆｕ、ｆｄに基づいて、下記の式により距離Ｒを算出し、物標引継ぎ処理部５３７へ与える。
Ｒ＝｛Ｃ・Ｔ／（２・Δｆ）｝・｛（ｆｕ＋ｆｄ）／２｝

また、速度検出部５３４は、受信強度算出部５３２から入力されるビート周波数ｆｕ、ｆｄに基づいて、下記の式によって相対速度Ｖを算出し、物標引継ぎ処理部５３７へ与える。
Ｖ＝｛Ｃ／（２・ｆ０）｝・｛（ｆｕ−ｆｄ）／２｝

距離Ｒおよび相対速度Ｖを算出する式において、Ｃは光速度、Ｔは変調周期である。

なお、距離Ｒの分解能下限値は、Ｃ／（２Δｆ）で表される。したがって、Δｆが大きくなるほど、距離Ｒの分解能が高まる。周波数ｆ０が約７６ＧＨｚ帯の場合において、Δｆを６００メガヘルツ（ＭＨｚ）程度に設定するとき、距離Ｒの分解能は例えば０．７メートル（ｍ）程度である。このため、２台の先行車両が併走しているとき、ＦＭＣＷ方式では車両が１台なのか２台なのかを識別することは困難である場合がある。このような場合、角度分解能が極めて高い到来方向推定アルゴリズムを実行すれば、２台の先行車両の方位を分離して検出することが可能である。

ＤＢＦ処理部５３５は、アンテナ素子１１₁、１１₂、・・・、１１_Mにおける信号の位相差を利用して、入力される各アンテナに対応した時間軸でフーリエ変換された複素データを、アンテナ素子の配列方向にフーリエ変換する。そして、ＤＢＦ処理部５３５は、角度分解能に対応した角度チャネル毎のスペクトルの強度を示す空間複素数データを算出し、ビート周波数毎に方位検出部５３６に出力する。

方位検出部５３６は、先行車両の方位を推定するために設けられている。方位検出部５３６は、算出されたビート周波数毎の空間複素数データの値の大きさのうち、一番大きな値を取る角度θを対象物が存在する方位として物標引継ぎ処理部５３７に出力する。

なお、到来波の到来方向を示す角度θを推定する方法は、この例に限定されない。前述した種々の到来方向推定アルゴリズムを用いて行うことができる。特に本応用例によれば、先行車両の配置が検知できるため、到来波の個数が既知である。その結果、到来方向推定アルゴリズムによる演算の量を低減して高分解能の方位推定が可能になる。

物標引継ぎ処理部５３７は、今回算出した対象物の距離、相対速度、方位の値と、メモリ５３１から読み出した１サイクル前に算出された対象物の距離、相対速度、方位の値とのそれぞれの差分の絶対値を算出する。そして、差分の絶対値が、それぞれの値毎に決められた値よりも小さいとき、物標引継ぎ処理部５３７は、１サイクル前に検知した物標と今回検知した物標とを同じものと判定する。その場合、物標引継ぎ処理部５３７は、メモリ５３１から読み出したその物標の引継ぎ処理回数を１つだけ増やす。

物標引継ぎ処理部５３７は、差分の絶対値が決められた値よりも大きな場合には、新しい対象物を検知したと判断する。物標引継ぎ処理部５３７は、今回の対象物の距離、相対速度、方位およびその対象物の物標引継ぎ処理回数をメモリ５３１に保存する。

信号処理回路５６０で、受信した反射波を基にして生成された信号であるビート信号を周波数解析して得られるスペクトラムを用い、対象物との距離、相対速度を検出することができる。

相関行列生成部５３８は、メモリ５３１に格納されたチャンネルＣｈ₁〜Ｃｈ_Mごとのビート信号（図３５の下図）を用いて自己相関行列を求める。数４の自己相関行列において、各行列の成分は、ビート信号の実部および虚部によって表現される値である。相関行列生成部５３８は、さらに自己相関行列Ｒｘｘの各固有値を求め、得られた固有値の情報を到来波推定ユニットＡＵへ入力する。

受信強度算出部５３２は、複数の対象物に対応する信号強度のピークが複数検出された場合、上りの部分および下りの部分のピーク値ごとに、周波数が小さいものから順番に番号をつけて、物標出力処理部５３９へ出力する。ここで、上りおよび下りの部分において、同じ番号のピークは、同じ対象物に対応しており、それぞれの識別番号を対象物の番号とする。なお、煩雑化を回避するため、図３４では、受信強度算出部５３２から物標出力処理部５３９への引出線の記載は省略している。

物標出力処理部５３９は、対象物が前方構造物である場合に、その対象物の識別番号を物標として出力する。物標出力処理部５３９は、複数の対象物の判定結果を受け取り、そのどちらもが前方構造物である場合、自車両の車線上にある対象物の識別番号を物標が存在する物***置情報として出力する。また、物標出力処理部５３９は、複数の対象物の判定結果を受け取り、そのどちらもが前方構造物である場合であって、２つ以上の対象物が自車両の車線上にある場合、メモリ５３１から読み出した物標引継ぎ処理回数が多い対象物の識別番号を物標が存在する物***置情報として出力する。

再び図３３を参照し、車載レーダシステム５１０が図３３に示す例に組み込まれた場合の例を説明する。画像処理回路７２０（図３３）は、映像から物体の情報を取得し、その物体の情報から物標位置情報を検出する。画像処理回路７２０は、例えば、取得した映像内のオブジェクトの奥行き値を検出して物体の距離情報を推定したり、映像の特徴量から物体の大きさの情報等を検出したりすることにより、予め設定された物体の位置情報を検出するように構成されている。

選択回路５９６は、信号処理回路５６０および画像処理回路７２０から受け取った位置情報を選択的に走行支援電子制御装置５２０に与える。選択回路５９６は、例えば、信号処理回路５６０の物***置情報に含まれている、自車両から検出した物体までの距離である第１距離と、画像処理回路７２０の物***置情報に含まれている、自車両から検出した物体までの距離である第２距離とを比較してどちらが自車両に対して近距離であるかを判定する。例えば、判定された結果に基づいて、自車両に近いほうの物***置情報を選択回路５９６が選択して走行支援電子制御装置５２０に出力し得る。なお、判定の結果、第１距離および第２距離が同じ値であった場合には、選択回路５９６は、そのいずれか一方または両方を走行支援電子制御装置５２０に出力し得る。

なお、物標出力処理部５３９（図３４）は、受信強度算出部３２から物標候補がないという情報が入力された場合には、物標なしとしてゼロを物***置情報として出力する。そして、選択回路５９６は、物標出力処理部５３９からの物***置情報に基づいて予め設定された閾値と比較することで信号処理回路５６０あるいは画像処理回路７２０の物***置情報を使用するか選択している。

物体検知装置５７０によって先行物体の位置情報を受け取った走行支援電子制御装置５２０は、予め設定された条件により、物***置情報の距離や大きさ、自車両の速度、降雨、降雪、晴天などの路面状態等の条件と併せて、自車両を運転しているドライバに対して操作が安全あるいは容易となるような制御を行う。例えば、走行支援電子制御装置５２０は、物***置情報に物体が検出されていない場合、予め設定されている速度までスピードを上げるようにアクセル制御回路５２６に制御信号を送り、アクセル制御回路５２６を制御してアクセルペダルを踏み込むことと同等の動作を行う。

走行支援電子制御装置５２０は、物***置情報に物体が検出されている場合において、自車両から所定の距離であることが分かれば、ブレーキバイワイヤ等の構成により、ブレーキ制御回路５２４を介してブレーキの制御を行う。すなわち、速度を落とし、車間距離を一定に保つように操作する。走行支援電子制御装置５２０は、物***置情報を受けて、警告制御回路５２２に制御信号を送り、車内スピーカを介して先行物体が近づいていることをドライバに知らせるように音声またはランプの点灯を制御する。走行支援電子制御装置５２０は、先行車両の配置を含む物***置情報を受けとり、予め設定された走行速度の範囲であれば、先行物体との衝突回避支援を行うために自動的にステアリングを左右どちらかに操作し易くするか、あるいは、強制的に車輪の方向を変更するようにステアリング側の油圧を制御する等を行うことができる。

上述の物体検知装置５７０は、一般的なコンピュータを、上述の各構成要素として機能させるプログラムにより動作させることで実現することができる。このプログラムは、通信回線を介して配布することも可能であるし、半導体メモリまたはＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に書き込んで配布することも可能である。

物体検知装置５７０では、選択回路５９６が前回検出サイクルにおいて一定時間連続して検出していた物***置情報のデータで、今回検出サイクルで検出できなかったデータに対して、カメラで検出したカメラ映像からの先行物体を示す物***置情報が紐付けされれば、トラッキングを継続させる判断を行い、信号処理回路５６０からの物***置情報を優先的に出力するようにしても構わない。

信号処理回路５６０および画像処理回路７２０の出力を選択回路５９６に選択するための具体的構成の例および動作の例は、特開２０１４−１１９３４８号公報に開示されている。この公報の内容の全体をここに援用する。

上述の車載レーダシステムは一例である。上述したアレーアンテナは、アンテナを利用するあらゆる技術分野において利用可能である。

本開示のアンテナ装置およびアンテナアレイは、ギガヘルツ帯域またはテラヘルツ帯域の電磁波の送受信を行う各種の用途に利用され得る。特に小型化が求められる車載レーダおよび無線通信システムに好適に用いられ得る。

１００ 導波路装置
１１０ 導電部材
１１０ａ 導電性表面
１１２ スロット
１１４ ホーンの側壁
１２０ 導電部材
１２０ａ 第２の導電部材の導電性表面
１２２ 導波部材
１２２ａ 導波面
１２４ 導電性ロッド
１２４ａ 導電性ロッドの先端部
１２４ｂ 導電性ロッドの基部
１２５ 人工磁気導体の表面
１３０ 中空導波管
１３２ 中空導波管の内部空間
１４０ チョーク構造
２００ スロットアレーアンテナ
２９０ 電子回路
３００ アンテナ装置
３１０ 導電部材
３２０ 放射素子
３５０ 導波路コンポーネント
４００ アンテナアレイ
５００ 自車両
５０２ 先行車両
５１０ 車載レーダシステム
５２０ 走行支援電子制御装置
５３０ レーダ信号処理装置
５４０ 通信デバイス
５５０ コンピュータ
５５２ データベース
５６０ 信号処理回路
５７０ 物体検知装置
５８０ 送受信回路
５９６ 選択回路
６００ 車両走行制御装置
７００ 車載カメラシステム
７１０ カメラ
７２０ 画像処理回路

Claims (17)

1. 電磁波の送信および受信の少なくとも一方を行う放射素子であって、
   導電性表面を有する導電部材と、
   前記導電性表面に対向する導電性の導波面を有する少なくとも１つの導波部材であって、前記導波面が前記導電性表面に沿って延びるストライプ形状を有する、少なくとも１つの導波部材と、
   前記導波部材の両側の人工磁気導体と、
   を有し、
   前記導波面と前記導電性表面との間の導波間隙は、前記導波面の端部において外部空間に開放されている、
   放射素子。
2. 複数の放射素子によって電磁波の送信および受信の少なくとも一方を行うアンテナアレイであって、
   積層された複数の導波路コンポーネントを備え、
   各導波路コンポーネントは、
   導電性表面を有する導電部材と、
   前記導電性表面に対向する導電性の導波面を有する少なくとも１つの導波部材であって、前記導波面が前記導電性表面に沿って延びるストライプ形状を有する、少なくとも１つの導波部材と、
   前記導波部材の両側の人工磁気導体と、
   を有し、
   前記導波面と前記導電性表面との間の導波間隙は、前記導波面の端部において外部空間に開放され、前記複数の放射素子の１つを規定する、
   アンテナアレイ。
3. 前記複数の導波路コンポーネントは、第１および第２の導波路コンポーネントを含み、
   前記複数の導波路コンポーネントは、少なくとも１つの板形状の導電部材を含み、
   前記板形状の前記導電部材の一方の表面には、前記第１の導波路コンポーネントにおける前記導波部材が配置され、
   前記第２の導波路コンポーネントにおける前記導電性表面は、前記板形状の前記導電部材の他方の表面である、
   請求項２に記載のアンテナアレイ。
4. 前記複数の導波路コンポーネントは、第１および第２の導波路コンポーネントを含み、
   前記複数の導波路コンポーネントは、少なくとも１つの板形状の導電部材を含み、
   前記第１の導波路コンポーネントにおける前記導電性表面は、前記板形状の前記導電部材の一方の表面であり、
   前記第２の導波路コンポーネントにおける前記導電性表面は、前記板形状の前記導電部材の他方の表面である、
   請求項２に記載のアンテナアレイ。
5. 前記複数の導波路コンポーネントは、第１および第２の導波路コンポーネントを含み、
   前記複数の導波路コンポーネントは、少なくとも１つの板形状の導電部材を含み、
   前記板形状の前記導電部材の一方の表面には、前記第１の導波路コンポーネントにおける前記導波部材が配置され、
   前記板形状の前記導電部材の他方の表面には、前記第２の導波路コンポーネントにおける前記導波部材が配置されている、
   請求項２に記載のアンテナアレイ。
6. 前記導波面は、少なくとも前記端部において、第１の方向に延び、
   前記導電性表面において前記放射素子に最も近い端縁は、前記第１の方向に交差する第２の方向に沿って拡がり、
   前記複数の導波路コンポーネントの少なくとも１つにおいて、前記導波面の前記端部の位置および前記導電性表面の前記端縁の位置は、前記第１の方向において異なり、
   前記導波面の前記端部と前記導電性表面の前記端縁との前記第１の方向における隔たりは、前記導波面の前記端部と前記導電性表面との間隔よりも小さい、
   請求項２から５のいずれかに記載のアンテナアレイ。
7. 前記アンテナアレイは、自由空間における中心波長がλｏの帯域の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられ、
   前記複数の放射素子のうちの前記導波路コンポーネントの積層方向において隣接する２つの放射素子の中心間の距離は、λｏ未満である、
   請求項２から６のいずれかに記載のアンテナアレイ。
8. 前記複数の放射素子は、一次元に配列されている、請求項２から７のいずれかに記載のアンテナアレイ。
9. 前記複数の放射素子は、二次元に配列されている、請求項２から７のいずれかに記載のアンテナアレイ。
10. 前記複数の導波路コンポーネントは、積層された少なくとも３つの導波路コンポーネントを含み、
    前記導波面は、少なくとも前記端部において第１の方向に延び、
    前記導電性表面は、前記第１の方向、および前記第１の方向に垂直な第２の方向に沿って拡がり、
    前記３つの導波路コンポーネントの前記端部は、前記導電性表面と交差する方向に延びる１つの直線に沿って配列されている、
    請求項２から８のいずれかに記載のアンテナアレイ。
11. 各導波路コンポーネントは、前記導波部材を含む複数の導波部材を含み、
    各導波部材における前記導波面は、少なくとも前記端部において第１の方向に延び、
    前記導電性表面は、前記第１の方向、および前記第１の方向に垂直な第２の方向に沿って拡がり、
    前記複数の導波路コンポーネントにおける前記複数の導波部材の導波面の前記端部は、前記導電性表面と交差する方向に延びる複数の直線に沿った列を成す、
    請求項２から７、および９のいずれかに記載のアンテナアレイ。
12. 前記複数の導波路コンポーネントの少なくとも１つは、前記導波面の前記端部および前記端部に対向する前記導電性表面の端縁に接続され、前記端部と前記端縁との間の開口を広げる導電性の表面を有する放射器をさらに有する、請求項２から１１のいずれかに記載のアンテナアレイ。
13. 前記人工磁気導体は、各々が前記導電性表面に対向する先端部を持ち、前記導波部材の両側に位置する複数の導電性ロッドを含む、
    請求項２から１２のいずれかに記載のアンテナアレイ。
14. 前記アンテナアレイは、自由空間における最短の波長がλｍである帯域の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられ、
    前記導波面の幅、各導電性ロッドの幅、隣接する２つの前記導電性ロッドの間の空間の幅、前記導波部材と前記複数の導電性ロッドとの間の空間の幅、各導電性ロッドの基部から前記導電性表面までの距離は、λｍ／２未満である、
    請求項１３に記載のアンテナアレイ。
15. 請求項２から１４のいずれかに記載のアンテナアレイと、
    前記アンテナアレイに接続された少なくとも１つのマイクロ波集積回路と、
    を備えるレーダ装置。
16. 請求項１５に記載のレーダ装置と、
    前記レーダ装置の前記マイクロ波集積回路に接続された信号処理回路と、
    を備えるレーダシステム。
17. 放射素子によって電磁波の送信および受信の少なくとも一方を行うアンテナ装置であって、
    導電性表面を有する導電部材と、
    前記導電性表面に対向する導電性の導波面を有する少なくとも１つの導波部材であって、前記導波面が前記導電性表面に沿って延びるストライプ形状を有する、少なくとも１つの導波部材と、
    前記導波部材の両側の人工磁気導体と、
    を備え、
    前記導波面と前記導電性表面との間の導波間隙は、前記導波面の端部において外部空間に開放され、前記放射素子を規定する、
    アンテナ装置。

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