JP3602266B2 - レーダモジュール - Google Patents
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Description
【０００１】
【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
【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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