JP3602266B2 - レーダモジュール - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、車載用ミリ波FMレーダーシステムなどに利用されるレーダーモジュールに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、車載用のレーダーシステムとして、米国特許第 5,008,678号に開示されているような走査型の平面アレイアンテナが知られている。この平面アレイアンテナは、複数の平面アンテナと、バトラーマトリックスなどのパッシブ型のフェーズドアレイと、スイッチング回路との組合せによってビームの走査を実現している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記先行技術の走査型の平面アレイアンテナでは、パッシブ型のフェーズドアレイを使用してビームの角度の走査を行う構成であるから、角度の走査範囲をあまり大きくできないという問題がある。また、この走査型の平面アレイアンテナでは、送信専用のアレイアンテナと受信専用のアレイアンテナとを必要とするため、小型化が困難で特に、車載用平面アレイアンテナへの適用が困難になるという問題がある。
従って、本発明の目的は、ビーム角度の走査範囲が広くしかも車載用に適した小型のレーダーモジュールと平面アレイアンテナを提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーダーモジュールは、等間隔を保って直線状に配列された複数のパッチから成りチルト角を有する平面アレイアンテナで構成される送受共用アンテナの群であって、互いに逆向きにかつ互いに交差指状に配列される第1,第2の群から成る一次放射器と、前記送受共用アンテナの第1,第2の群に対応して対向配列されるMMICで構成される送受信部の第1,第2の群と、前記送受信アンテナの第1,第2の群と対応の送受信部の第1,第2の群の間に配列されるサーキュレータの第1,第2の群であって、対応の送受信アンテナに供給される送信信号と対応の送受信アンテナから供給される受信信号を分離するものと、前記送受信部の第1,第2の群に対応して対向配置され、第1,第2の群のそれぞれに属する送受信部に送信FM信号を供給する第1,第2の送信FM信号発生部とが誘電体又は磁性体の基板上にマイクロストリップ線路の形式で形成された部分と、この部分に含まれる前記一次放射器を焦点の近傍に配置させるように設置された反射鏡又は誘電体レンズとを備えている。
【0005】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記第1,第2の送受信FM信号発生部から前記送受信部の第1、第2の群のそれぞれに属する送受信部に供給されるFM信号は、マイクロストリップ線路の分岐箇所に薄膜抵抗器が挿入された構造の多段配列の2分岐回路を通して分配されることにより、反射損失の少ない良好な特性の2分岐機能が実現される。
以下、本発明の詳細を実施例と共に詳細に説明する。
【0006】
図2は、本発明の一実施例のFMレーダモジュール10と本体部20とで構成されるFMレーダーシステムの機能構成を示す機能ブロック図である。
【0007】
FMレーダーモジュール10は、送受共用の平面アレイアンテナ部12、送受信部13、サーキュレータ部14、FM信号発生部18及びFM信号分配部19から構成されている。平面アレイアンテナ部12、送受信部13及びサーキュレータ部14は、16個の送受信チャネルA,B,C・・・・Pのそれぞれに対応した16個の部分12a〜12p、13a〜13p、14a〜14pから構成されている。FM信号発生部18は、16個の送受信チャネルに共通の部分として構成されており、ここで発生されたFM信号がFM信号分配部19を介して各送受信チャネルの送受信部12a〜12pに分配される。
【0008】
各送受信チャネルの送受信部13a〜13pのそれぞれは、送信選択増幅器15a〜15pと、受信選択増幅器16a〜16pと、ミキサー17a〜17pとを備えている。16個の送受信チャネルA〜Pの送受信部13a〜13pのそれぞれは、マイクロストリップ線路形式の多段配列の2分岐回路で構成されるFM信号分配部19を通してFM信号発生部18から供給される送信対象のFM信号を受ける。このFM信号発生部18は、電圧制御発振器(VCO)で構成され、周波数が三角波状あるいは鋸波状に変化するFM信号を発生して出力するFM信号発生器18aと、この出力されたFM信号の周波数を逓倍する周波数逓倍器18bとから構成されている。
【0009】
図2の機能ブロック図に示したFMレーダーモジュール10は、図1の平面図に示すような物理的な構造を有している。比誘電率9.7 の高純度のアルミナセラミックを素材とする誘電体基板は、送受共用のアンテナ部12、送受信部13、FM信号発生部18及びFM信号分配部19のそれぞれごとに分割されており、それぞれの上に上記各部がマイクロストリップ線路形式で形成されている。送受信部13、FM信号発生部18及びFM信号分配部19は、最終組立時に各部の誘電体基板とそれぞれの裏面の金属板とが接触状態を保ちながら金属筐体MC内に固定され、各部に形成されていたマイクロストリップ線路どうしが金属箔又は線によって接続される。また、サーキュレータ部14は、金属板上に配置されたフェライト基板上に組立てられている。組立ての最終段階で、金属筐体MCの開口面が金属板によって遮蔽される。
【0010】
このFMレーダーモジュールは、比較的大型のサーキュレータについて16個分の設置空間を確保するために、送受共用アンテナ部12と、送受信部13と、これらの間に設置されるサーキュレータ部14とが二つの群に分割されている。
【0011】
平面アレイアンテナ12a〜12pのそれぞれは、給電線路の先端側の直線部に沿って所定の間隔で配列される3個のパッチから成り、それぞれの給電線路の先端側の直線部とほぼ直交する方向に配列されている。16個の平面アレイアンテナは、8個の平面アレイアンテナ12a〜12hから成る一方の群と、残り8個の平面アレイアンテナ12i〜12pから成る他方の群の2群に分けられており、一方の群に属する平面アレイアンテナと、他方の群に属する平面アレイアンテナとは互いに逆向き(180 o 異なる方向)に延長される対応の群の給電線路の先端側の直線部に互いに交差指状に配列されている。
【0012】
送受信部13を構成する8個のMMIC13a〜13hのそれぞれには、MMIC13aで代表して図3の等価回路図に示すように、全部で18個の送受信チャネルのうち隣接する2個分の送受信チャネルの送受信部がモノリシック・マイクロウエーブ集積回路(MMIC)の形式でGaAs半導体基板上に形成されている。すなわち、図3に示すように、MMIC13a内には、送信選択増幅器15a、受信選択増幅器16a及びミキサー17aを含む送受信チャネルAの送受信部と、送信選択増幅器15b、受信選択増幅器16b及びミキサー17bを含む送受信チャネルBの送受信部が形成されている。このMMICが形成されたGaAs半導体基板は、窒素ガスが充填されたセラミック製のパッケージ内に収容されている。
【0013】
図3を参照すれば、送受信チャネルAの3個のパッチPa1〜Pa3で構成される平面アレイアンテナ12aに連なる給電線FLaの根元側は、サーキュレータ14aを介在させながら送信部分TXOUTと受信部分RXINとに分離されている。サーキュレータ14aで分離された給電線の送信部分TXOUTは送信選択増幅器15aを介してFM信号の入力端子TXINに接続されると共に、分離された受信部分RXINはミキサー17aの一方の入力端子に接続されている。このミキサー17aの他方の入力端子には、入力端子TXINから受信選択増幅器16aを介してFM信号が選択的に供給される。
【0014】
同様に、送受信チャネルBの3個のパッチPb1〜Pb3で構成される平面アレイアンテナ12bに連なる給電線FLbの根元側は、サーキュレータ14bを介在させながら送信部分TXOUTと受信部分RXINとに分離されている。サーキュレータ14bで分離された給電線の送信部分TXOUTは送信選択増幅器15bを介してFM信号の入力端子TXINに接続されると共に、分離された受信部分RXINはミキサー17bの一方の入力端子に接続されている。このミキサー17bの他方の入力端子には、入力端子TXINから受信選択増幅器16bを介してFM信号が選択的に供給される。
【0015】
なお、送受信チャネルAとBにおいて、隣接する14aと14bとは互いに逆向きの直流磁界が加えられ、この結果信号の回転方向が互いに逆になるように設定されている。このように隣接するサーキュレータに互いに逆向きの直流磁界を加えることにより、互いに相殺させて直流磁界の発生を防止している。
【0016】
図4は、図1のFM信号分配部19を構成する各信号分岐回路の形状を示す平面図である。この信号分岐回路のインピーダンス整合が図るために、抵抗値100Ωの薄膜抵抗器Rがマイクロストリップ線路の分岐箇所に挿入される。
【0017】
図5は、図1のFMレーダーモジュール10を金属製のホルダー40に保持させて反射鏡30と一体化することにより、そのアンテナ部12を一次放射器として機能させる場合の構成を示す斜視図である。反射鏡30の曲面は放物面の一部を形成しており、この放物面の焦点近傍に一次放射器として機能させる16個の平面アレイアンテナ12a,12b,12c・・・・12pから構成されるアンテナ部12が配置される。16個の平面アレイアンテナ12a〜12pのそれぞれから放射されたミリ波帯のFM信号は、反射鏡30で反射され水平方向にそれぞれ異なる角度で反射鏡30の前方に放射される。すなわち、アンテナ本体部12から成る一次放射器と、反射鏡30とによってオフセット・デフォーカス・パラボラアンテナが構成される。
【0018】
一次放射器を構成する各送受信チャネルの平面アレイアンテナ12a〜12pは、各給電線の先端側の直線部分に沿って3個の矩形状のパッチが所定の間隔で配列された構造を呈している。このため、各平面アレイアンテナから放射される電波は、所定のチルト角の方向に放射される。すなわち、図6の断面図に示すように、各パッチから放射される電波の放射方向 (実線で示す) は、各パッチから放射される電波の等位相面 (点線で示す) がそれぞれの放射方向と直交するように、誘電体基板に立てた一点鎖点で示す法線に対してθのチルト角を有する。この放射電波の等位相面は、放射電波が給電線上と空気中を伝播する際の遅延時間によって決定される。
【0019】
なお、図6では、パッチと給電線とを区別するためにパッチの厚みを給電線のそれよりも大きくして表現してあるが、これらは実際には同一の厚みである。また、一方の群に属する8個の平面アレイアンテナと、他方の群に属する8個の平面アレイアンテナとが同一のチルト角で二次放射器に放射されるように、各群について2個の矩形状のパッチを接続する給電線路の長さがほぼ半波長だけ異なっている。
【0020】
再び図5を参照すれば、平面アレイアンテナ12a〜12pのそれぞれは上述したようなチルト角θを有するため、一次放射器に比較して相当大型のFMレーダーモジュール10が、反射鏡30から放射される電波の進路を妨害してしまうという不都合が有効に回避される。このため、アンテナ部12を一次放射器として含むFMレーダーモジュール10を反射鏡30に接近させて設置することができる。この結果、単一の誘電体基板10上に送受信部と共に一次放射器となるアンテナ本体部12を形成したMMIC構造のFMレーダーモジュールが実現される。
【0021】
再び図2の構成ブロック図を参照すれば、FMレーダモジュール10のFM信号発生器18から供給されるミリ波帯のFM信号は、FM信号分配部19で分岐されたのち、16個の送受信チャネルA〜Pに対応して設置された16個の送信選択増幅器15a〜15pのそれぞれによって所定の期間内のみ選択的な増幅を受ける。送信選択増幅器15a〜15pのそれぞれは、本体部20のチャネル制御回路22から供給されるチャネル制御信号に従って配列順に順次所定期間内のみFM信号の増幅動作を行う。
【0022】
送信選択増幅器15a〜15pのそれぞれは、2段に縦列接続された電界効果トランジスタ(FET) と、上記チャネル制御信号に従って各電界効果トランジスタに間歇的に動作用のドレイン電圧を供給するスイッチング・トランジスタなどから構成され、動作電力の供給期間内のみ選択的に増幅動作を行う。送信選択増幅器15a〜15pのそれぞれは、ドレイン電圧が供給されていない状態では、それぞれを通過するFM信号に大きな通過損失を与えることにより、FM信号分配部19とサーキュレータ14a〜14pとの間を実質的に分離する。
【0023】
すなわち、各送信選択増幅器は、FM信号分配部19とサーキュレータ14a〜14pとの間を選択的に接/断する利得を有するスイッチとして機能する。送信選択増幅器15a〜15pのそれぞれで増幅されたミリ波帯のFM信号は、各送受信チャネルに対応して設置されているサーキュレータ14a〜14pの対応のものを経て平面アレイアンテナ12a〜12pの対応のものに供給され、それぞれから誘電体基板11の外部に放射される。放射されたFM信号は、さらに二次放射器30による反射を受けて車両の外部に放射される。
【0024】
車両の外部に放射されたミリ波帯のFM信号のうちのいくつかは、物体で反射され、放射時とは逆の経路を辿ってレーダーモジュールのアンテナ部12の平面アレイアンテナ12a〜12pのそれぞれに受信される。各平面アレイアンテナに受信された反射波は、サーキュレータ14a〜14pによって送信系から分離され、送受信部内のミキサー17a〜17pの一方の入力端子である受信信号入力端子に入力する。ミキサー17a〜17pの他方の入力端子である局発入力端子には、チャネル制御回路22から供給されるチャネル制御信号に従って、配列順にかつ所定期間内のみ間欠的に増幅動作を行う受信選択増幅器16a〜16pを通して順次FM信号が供給される。この受信選択増幅器16a〜16pのそれぞれが実質的なスイッチとして機能する点は、前述した送信選択増幅器の場合と同様である。
【0025】
ミキサー17a〜17pの出力端子から出力されるビート信号は、同軸ケーブルなどの線路と、チャネル制御回路22からの制御信号によって選択的に開閉されるセレクタ24とを経て本体部20のA/D変換器25に供給され、対応のディジタル信号に変換される。このディジタル・ビート信号は高速フーリエ変換(FFT) 回路25に供給され、ここで周波数スペクトルに変換され、CPU21に供給される。
【0026】
CPU21は、高速フーリエ変換回路25から受け取った受信反射信号の周波数スペクトルを解析することにより、各送受信チャネル、従って各方位角ごとに反射波を発生させた物体までの距離を算定する。典型的には、CPU21は、図7に例示するような障害物に関する二次元的なマップを作成する。
【0027】
図8は、図1のMMIC13a〜13iの構成の他の一例を示す平面図であり図9は、この平面図中のAーA’断面図である。ただし、図8の平面図は、上蓋150を取り外した状態を示している。このMMIC13a〜13iが図1のMMIC13a〜13iと異なる点は、バイアス供給端子や送受信増幅器の制御信号端子やビート信号の出力端子をパッケージの外部に形成する代わりに、パッケージの内部から金属製基板100を通してその裏側に形成している点である。
【0028】
すなわち、隣接する2個の送受信チャネルの送受信部を形成する2個のMMIC110、120が、金属製基板100上に固定され、信号入力端子131を通して供給されたFM信号が誘電体基板130上に形成されたマイクロストリップ線路形式の2分岐回路(図示省略)で2分割され、ビームリード113,123を通してMMIC110,120のそれぞれに供給される。MMIC110と120上には、図3に示した回路構成で送信増幅器、受信増幅器、ミキサーが配置されているが、その図示は省略されている。なお、MMIC110,120のそれぞれを誘電体の隔壁140を介在させながら配置することにより、パッケージ内のキャビティ共振の周波数を信号帯域よりも高域に押し上げている。
【0029】
送信FM信号は、信号出力端子111と121を通してサーキュレータに供給され、サーキュレータを経た受信信号は信号入力端子112,122を介してMMIC110と120のそれぞれに供給される。MMIC110,120のそれぞれが発生したビート信号は、ボンディングワイヤ119,129のそれぞれと、出力端子115,125のそれぞれを介して金属製基板100の裏面側に出力され、この裏面側から同軸線路(図示省略)を介して本体部分に送られる。バイアス電圧と増幅器の制御信号は、他の信号端子114,124などを介してMMIC110,120のそれぞれに供給される。なお、116,118,126,128は気密封止のための絶縁体である。
【0030】
以上、FMレーダーモジュールの場合を例にとって本発明を説明した。しかしながら、AMレーダー・モジュールやパルスレーダー・モジュールなど他の形式のレーダーモジュールにも本発明を適用できる。
【0031】
また、送受共用のアンテナ部をチルト角を有する一次放射器と反射鏡との組合せにより構成することにより小型化を図る例を説明した。しかしながら、この送受共用のアンテナ部をチルト角ゼロの一次放射器と誘電体レンズとの組合せによって実現することもできる。
【0032】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明のレーダーモジュールは、小型の平面アレイアンテナがサーキュレータを介して送信部と受信部とに共用可能な状態で複数配列されているため、限られた実装空間のもとで平面アレイアンテナの個数を増大させることができ、ビーム走査範囲の広角化が可能になる。また、上記多数の平面アレイアンテナを一次放射器とするオフセット・デフォーカス・パラボラアンテナなどの反射鏡や誘電体レンズなどが設置される構成であるから、ビーム走査範囲の広角化と高方位分解能化と、所望のアンテナ利得を確保したうえでの小型化が一層容易に実現される。
【0033】
また、平面アレイアンテナをサーキュレータと組合せて送受共用としたことにより高密度の実装が実現される。また、単一の誘電体基板上にMMICによる送信側・受信側の選択増幅回路やミキサーなどを形成した構造を採用することにより、車載用に適した高密度、小型、低コストかつ高分解能の走査型FMレーダーシステムを実現でき、アクティブ・クルーズコントロール・システム、衝突回避システムなど車載用への広範囲の応用が可能になる。
【0034】
さらに、FM信号発生回路18を本体部20に設ける代わりに、互いに対向配列される1対のFM信号発生部とFM信号分岐部とをレーダモジュール上に一体として実装する構成を採用したことにより、一層の小型化と低コスト化とを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例のFMレーダーモジュールの構造を示す平面図である。
【図2】図1の実施例のFMレーダーモジュールを含むFMレーダーシステムの構成を示すブロック図である。
【図3】図2のFMレーダーモジュールの送受信チャネルAとBの構成を拡大して示す平面図である。
【図4】図1のFM信号分配回路19を構成する各信号分岐回路の形状を示す平面図である。
【図5】図1の実施例のFMレーダーモジュールを含むレーダーシステムの構造を示す斜視図である。
【図6】図1の実施例のFMレーダーモジュールの平面アレイアンテナが有するチルト角を説明するための概念図である。
【図7】図1の実施例のFMレーダーモジュールを含むFMレーダーシステムによって検出される反射物体の距離と方位の分布の一例を示す概念図である。
【図8】図1のMMIC13a〜13iの構成の他の一例を示す平面図である。
【図9】図1のMMIC13a〜13iの構成の他の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
10 FMレーダーモジュール
11 誘電体基板
12 アンテナ部
12a 〜12p 各送受信チャネルの平面アレイアンテナ
13a 〜13h 隣接する2個の送受信チャネルの送受信部が形成されるMMIC
14a 〜14p サーキュレータ
15a 〜15p 送信選択増幅器
16a 〜16p 受信選択増幅器
17a 〜17p ミキサー
TXIN 送受信チャネルAとBの送信FM信号の入力端子
BTa 送受信チャネルAのビート信号の出力端子
BTb 送受信チャネルBのビート信号の出力端子
Claims (8)
- 等間隔を保って直線状に配列された複数のパッチから成りチルト角を有する平面アレイアンテナで構成される送受共用アンテナの群であって、互いに逆向きにかつ互いに交差指状に配列される第1,第2の群から成る一次放射器と、
前記送受共用アンテナの第1,第2の群に対応して対向配列されるMMICで構成される送受信部の第1,第2の群と、
前記送受信アンテナの第1,第2の群と対応の送受信部の第1,第2の群の間に配列されるサーキュレータの第1,第2の群であって、対応の送受信アンテナに供給される送信信号と対応の送受信アンテナから供給される受信信号を分離するものと、
前記送受信部の第1,第2の群に対応して対向配置され、第1,第2の群のそれぞれに属する送受信部に送信FM信号を供給する第1,第2の送信FM信号発生部とが誘電体又は磁性体の基板上にマイクロストリップ線路の形式で形成された部分と、
この部分に含まれる前記一次放射器を焦点の近傍に配置させるように設置された反射鏡又は誘電体レンズと
を備えたことを特徴とするレーダモジュール。 - 請求項1において、
前記第1,第2の送受信FM信号発生部から前記送受信部の第1、第2の群のそれぞれに属する送受信部に供給されるFM信号は、マイクロストリップ線路の分岐箇所に薄膜抵抗器が挿入された構造の多段配列の2分岐回路を通して分配されることを特徴とするレーダモジュール。 - 等間隔を保って直線状に配列された複数のパッチから成るチルト角を有する平面アレイアンテナで構成される送受共用アンテナの群であって、互いに逆向きにかつ互いに交差指状に配列される第1,第2の群から成るものと、
前記送受共用アンテナの第1,第2の群に対応して対向配列される送受信部の第1,第2の群と、
前記送受信アンテナの第1,第2の群と対応の送受信部の第1,第2の群の間に配列されるサーキュレータの第1,第2の群であって、対応の送受信アンテナに供給される送信信号と対応の送受信アンテナから供給される受信信号を分離するものと、
前記送受信部の第1,第2の群に対応して対向配置され、第1,第2の群のそれぞれに属する送受信部に送信FM信号を供給する第1,第2の送信FM信号発生部とを備え、
前記第1,第2の群に属する各送受信部は、隣接する二つずつの送受信部の送受信部が、複数のパッケージのそれぞれの内部に、MMICを形式しながら収容されることにより構成されたことを特徴とするレーダモジュール。 - 請求項3において、
前記複数のパッケージのそれぞれの内部は不活性ガスで充填されたことを特徴とするレーダモジュール。 - 請求項3又は4の一方において、
前記複数のパッケージのそれぞれに収容される二つの送受信部は、誘電体の仕切りを隔てて各パッケージ内に配置されたことを特徴とするレーダモジュール。 - 請求項1乃至5の一つにおいて、
前記第1,第2の送信FM信号発生部、前記送受信部の第1,第2の群、前記サーキュレータの第1,第2の群及び前記一次放射器は、誘電体又は磁性体基板上にマイクロストリップ線路の形式で形成されており、各部のうちいくつかは別個の誘電体又は磁性体の基板上に別個に形成され、最終組立時に各部のマイクロストリップ線路間の接続が行われることを特徴とするレーダモジュール。 - 請求項3乃至6の一つにおいて、
前記送受共用アンテナの群は、デフォーカス・マルチビーム・アンテナの一次放射器を形成することを特徴とするレーダモジュール。 - 請求項1乃至7の一つにおいて、
前記各送受信部の送信部は前記送信FM信号を選択的に増幅して前記送受共用アンテナの群の対応のものに選択的に供給する送信増幅回路を備え、この各送受信部の受信部は前記送信FM信号を選択的に増幅してミキサーに選択的に増幅する受信増幅回路を備えたことを特徴とするレーダーモジュール。
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