JP6102106B2 - レーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、高周波信号に応じた電磁波であるレーダ波を送信するとともに、レーダ波の反射波を受信し、そのレーダ波を反射した物標に関する情報を求めるレーダ装置に関する。

例えば、ＦＭＣＷレーダは、レーダ波を送信するとともに反射波を受信するアンテナ部と、高周波信号を生成するとともにアンテナ部からの受信信号と高周波信号とを混合して、両入力信号の差の周波数成分を取り出す高周波回路部と、この周波数成分を表す低周波信号を処理して必要な情報を得る低周波回路部とを備えて構成される。

そして、これらの各部をプリント基板上に配置する構成として、一つのプリント基板のおもて面にアンテナ部および高周波回路部、その裏面に低周波回路部を配置したり（特許文献１参照）、一つのプリント基板のおもて面に高周波回路部および低周波回路部、その裏面にアンテナ部を配置したり（図５参照）する態様が知られている。

なお、低周波回路部は、図５（ａ）に例示するように、低周波信号を増幅する増幅器２２や、入力信号に対して所定の有効動作範囲内の周波数成分のみを通過させるフィルタ２４、入力信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器２６、デジタルデータに基づく信号処理を行うマイクロコンピュータ（以下「マイコン」）２８、装置各部に動作に必要な電力を供給する電源回路２９等によって構成される。

特開平１０−２６１９１７号公報

ところで、近年では、物標に対する検知距離をのばすことを目的に、レーダ波の指向性（直進性）を強くするため、より高い周波数のミリ波等の高周波信号を扱う必要性（以下「高周波信号化」という）が生じている。

このような要請に応えようとすると、例えば、ガラスエポキシ樹脂や紙フェノールといった一般的な絶縁材に比べて誘電正接の低い四フッ化エチレン樹脂等のフッ素樹脂といった特別な絶縁材からなる基板を用いることにより、信号周波数と誘電正接とに比例するエネルギー損失（誘電体損失）を抑制させる必要性が増すことになる。

しかしながら、従来装置では、アンテナ部、高周波回路部、および低周波回路部を同一のプリント基板上に配置させた構成のため、誘電体損失を抑制させようとすると、プリント基板の素材を全て一般的な絶縁材から特別な絶縁材に替えなければならなくなるという問題があり、結果的にコストが跳ね上がる可能性があった。

本発明は、上記問題点を解決するために、なるべく従来装置の基板構成を利用して、高周波信号化に対処可能なレーダ装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するためになされた本発明のレーダ装置は、アンテナ部と、高周波回路部と、低周波回路部と、高周波回路部および低周波回路部を主面に実装可能な面積を有する板状のプリント基板（以下「主プリント基板」）と、高周波回路部をおもて面に実装可能な面積を有する板状のプリント基板（以下「副プリント基板」）とを備えて構成される。

なお、アンテナ部は、高周波信号に応じた電磁波であるレーダ波を送信する送信アンテナと、外部から到来する反射波（上記レーダ波の反射波）を受信する受信アンテナとを有する。高周波回路部は、高周波信号を生成するとともに、受信アンテナから入力される受信信号と上記高周波信号とに基づいて低周波信号を生成する。低周波回路部は、高周波回路部により生成された低周波信号に基づいて上記レーダ波を反射した物標に関する情報を求める。

そして、主プリント基板には、低周波回路部が主面に配置され、副プリント基板には、高周波回路部がおもて面、アンテナ部が裏面にそれぞれ配置され、副プリント基板が主プリント基板における主面の空きスペースに実装されてなることを特徴とする。

つまり、図５に例示するプリント基板の裏面からアンテナ部、おもて面から高周波回路部をそれぞれ除外して、低周波回路部だけが残存するプリント基板を主プリント基板とし、この主プリント基板のおもて面（主面）において高周波回路部を除外することでできた空きスペースに、高周波回路部およびアンテナ部がおもて面および裏面にそれぞれ配置された別のプリント基板（副プリント基板）を実装する構成とした。

このような構成では、主プリント基板よりも小さい副プリント基板だけに、誘電体損失の抑制に必要な特別な絶縁材を採用することで、より高い周波数のミリ波等の高周波信号を扱いやすくなるため、図５に例示するプリント基板の素材を全て一般的な絶縁材から特別な絶縁材に替える必要がなくなり、結果的に素材コストの抑制が可能となる。

なお、後述するように、レーダ波の指向性は、所定の条件下において使用周波数とアンテナ長さとの乗算値に反比例するため、使用周波数を高くすることによりアンテナ長さを短くすることが可能となることから、アンテナ部の配置面積を抑えることが可能となる。

従って、本発明によれば、従来のプリント基板の素材や低周波回路の配置等の構成を替えることなく、このような基板構成を利用して、高周波信号化に対処することができる。

本発明のレーダ装置および車載ネットワークの構成を例示する構成図である。 ＦＭＣＷレーダの動作原理を示す説明図である。 本発明のレーダ装置における各部の基板（プリント基板）上の配置構成を例示する概略図であり、（ａ）は主プリント基板のおもて面（主面）および副プリント基板の裏面を例示する平面図、（ｂ）は副プリント基板のおもて面を例示する平面図、（ｃ）は主プリント基板への副プリント基板の実装例を説明するための側面図である。 アンテナの指向性、アンテナ長さ、および使用周波数の関係性を示す説明図である。 従来のレーダ装置における各部の基板（プリント基板）上の配置構成を例示する概略図であり、（ａ）はプリント基板のおもて面、（ｂ）はプリント基板の裏面をそれぞれ例示する平面図である。

以下に、本発明の実施形態としてのレーダ装置を図面と共に説明する。なお、本実施形態のレーダ装置は、車両に構築された車載ネットワークに接続され、周知のアダプティブ・クルーズ・コントロール（ＡＣＣ）システムを構成するものである。

［全体構成］
図１に示すように、ＡＣＣシステムは、レーダ装置１と、車間制御ＥＣＵ３０と、エンジンＥＣＵ３２と、ブレーキＥＣＵ３４とを備えている。なお、本実施形態では、レーダ装置１は、車間制御ＥＣＵ３０に接続されている。また、各ＥＣＵ３０，３２，３４は、いずれもマイコンを中心に構成され、車内ＬＡＮ（Local Area Network）を介して相互に接続されている。

レーダ装置１は、ＦＭＣＷ方式のいわゆる「ミリ波レーダ」として構成されたものであり、周波数変調されたミリ波帯の電磁波をレーダ波として自車両の進行方向（本実施形態では前方）に送信するとともに、レーダ波の反射波を受信し、そのレーダ波を反射した物標（以下「認識物標」という）に関する情報（以下「物標情報」という）を生成して、車間制御ＥＣＵ３０に送信する。

なお、物標情報には、認識物標の位置（距離，方位）、相対速度が少なくとも含まれている。例えば、認識物標として自車両の前方に位置する他車両（先行車両）と自車両との距離や相対速度、先行車両が存在する方位といった情報が含まれている。

車間制御ＥＣＵ３０は、レーダ装置１から送信されてくる物標情報（先行車両の位置、相対速度）、および図示しない各種センサで検出される自車両の状況を表す情報に応じて、先行車両との車間距離を所定レベル以上に保持するように、エンジンＥＣＵ３２やブレーキＥＣＵ３４などに指令を送る制御を実行する車間制御電子制御装置である。

エンジンＥＣＵ３２は、アクセルペダルの操作量や、車間制御ＥＣＵ３０からの指令に従ってエンジンの状態を制御するエンジン電子制御装置である。
ブレーキＥＣＵ３４は、ブレーキペダルの操作状態や車間制御ＥＣＵ３０からの指令に従って制動装置の状態を制御するブレーキ電子制御装置である。

つまり、ＡＣＣシステムでは、レーダ装置１にて検出された車両前方の状況および自車両の状況に応じて、先行車両との車間距離が保たれるように、エンジンやブレーキ等の状態を制御することにより、車速を自動制御するようになっている。

［レーダ装置の構成］
次に、レーダ装置１の構成について説明する。
レーダ装置１は、変調指令Ｍに従って、三角波状の変調信号を生成する信号処理部１０と、信号処理部１０にて生成された変調信号が印加され、その変調信号に従って発振周波数が変化する電圧制御発振器（ＶＣＯ）１２と、ＶＣＯ１２の出力を送信信号Ｓｓとローカル信号Ｌとに電力分配する分配器１４と、分配器１４から取り出された送信信号Ｓｓを増幅する増幅器１６と、増幅器１６からの出力である送信信号Ｓｓに応じた電磁波をレーダ波（送信波）として放射する送信アンテナ１８とを備えている。

また、レーダ装置１は、レーダ波（反射波）を受信するｎ個（本実施形態ではｎ＝６）の受信アンテナ２０と、受信アンテナ２０から入力される受信信号Ｓｒにローカル信号Ｌを混合してビート信号Ｂを生成するミキサ２１と、ミキサ２１が生成したビート信号Ｂを増幅する増幅器２２と、増幅器２２にて増幅されたビート信号Ｂに対して所定の有効動作範囲内の周波数成分のみを通過させるフィルタ２４と、フィルタ２４を通過した入力信号をデジタルデータＤに変換するＡ／Ｄ変換器２６と、デジタルデータＤを取り込み、そのデジタルデータＤに基づく信号処理を実行することにより、レーダ波を反射した物標に関する情報（先行車両との距離や相対速度、先行車両が存在する方位等）を求めるマイコン２８と、レーダ装置１の各部に動作に必要な電力を供給する電源回路２９（図３参照）とを備えている。

このうち、ＶＣＯ１２は、三角波状の変調信号に従って、時間に対して周波数が直線的に漸増、漸減するように変調されたミリ波帯の高周波信号を生成する。但し、生成する高周波信号の中心周波数がＦｏ（例えば、７６．５ＧＨｚ）、周波数変動幅がΔＦ（例えば、最大１００ＭＨｚ）となるように設定されている。

受信アンテナ２０は、そのビーム幅（正面方向に対する利得の低下が３ｄＢ以内の角度範囲）がいずれも送信アンテナ１８のビーム幅全体を含むように設定されている。なお、各アンテナがそれぞれＣＨ１〜ＣＨｎに割り当てられている。

Ａ／Ｄ変換器２６は、周期がＴｐ（例えば、２００ｎｓ）のパルス列からなるマイコン２８からのタイミング信号（非図示）に従って動作するように設定されている。
ミキサ２１は、ＶＣＯ１４が生成する高周波信号の中心周波数Ｆｏを中心とする±数ＧＨｚの周波数範囲内の入力信号（受信信号Ｓｒ、ローカル信号Ｌ）を、両入力信号の差の周波数成分からなる低周波信号に変換する。

マイコン２８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを中心に、信号処理部１０の一部として構成され、更に、周波数解析（ここでは高速フーリエ変換（ＦＦＴ））等の信号処理を実行する演算処理装置（例えばＤＳＰ）を備えている。

また、マイコン２８のＣＰＵでは、変調指令Ｍおよび前述のタイミング信号を生成することでレーダ装置１の各部の動作を制御する動作制御処理と、演算処理装置での演算結果に基づいて、レーダ波を反射した物標に関する情報を求める物標検出処理とを少なくとも実行する。

次に、物標検出処理の原理について説明する。
レーダ装置１では、図２（ａ）に実線で示すように、三角波状の変調信号により周波数変調され周波数が時間に対して直線的に漸次増減する送信信号Ｓｓをレーダ波として送信し、物標により反射されたレーダ波（反射波）を受信する。この時、受信信号Ｓｒは、図２（ｂ）に点線で示すように、レーダ波が物標との間を往復するのに要する時間、即ち、物標までの距離に応じた時間Ｔｒだけ遅延し、物標との相対速度に応じた周波数ｆｄだけドップラーシフトする。

このような受信信号Ｓｒと送信信号Ｓｓとをミキサ２１で混合することにより、図２（ｂ）に示すように、両信号Ｓｒ、Ｓｓの差の周波数成分であるビート信号Ｂを発生させる。なお、送信信号Ｓｓの周波数が増加する時のビート信号Ｂの周波数（以下「上り変調時のビート周波数」という）ｆｂ１と、送信信号Ｓｓの周波数が減少する時のビート信号Ｂの周波数（以下「下り変調時のビート周波数」という）ｆｂ２とから、遅延時間Ｔｒに基づく周波数ｆｒは（１）式、ドップラーシフト周波数ｆｄは（２）式にて表される。

そして、物標検出処理では、これらのビート周波数ｆｒ、ｆｄに基づいて、（３）、（４）式から物標との距離Ｒおよび相対速度Ｖを求めるようにされている。

但し、ｃは電波伝搬速度、ｆｍは送信信号の変調周波数、ΔＦは送信信号の周波数変動幅、Ｆｏは送信信号の中心周波数である。
また、ビート周波数ｆｂ１、ｆｂ２の特定には一般に信号処理が用いられている。具体的には、ビート信号Ｂをサンプリングし、変調種別毎にビート信号Ｂの周波数分布を求め、信号強度がピークとなる周波数をビート周波数ｆｂ１、ｆｂ２としている。

なお、ビート信号Ｂのサンプリング周波数ｆｓは、周知のように、ビート信号Ｂの上限周波数の２倍以上に設定する必要がある。つまり、予め設定された検知範囲内に存在する物標から反射波に基づいて生成されるビート信号Ｂの周波数成分が、この上限周波数以下の信号帯域内に入るようにレーダ波の変調幅ΔＦや変調周期１／ｆｍなどが設定される。

また、物標の方位について説明すると、例えば真正面の物標からの受信アンテナ２０による受信信号Ｓｒは、それぞれのビート周波数ｆｒ、ｆｄ間の位相が揃い、ビート周波数ｆｒ、ｆｄ間の遷移周波数はゼロとなる。一方、ある角度を伴って（斜めから）返ってくる反射波に基づく受信信号Ｓｒは、送信アンテナ１８から受信アンテナ２０に至る経路差に基づいた分の位相差がビート周波数ｆｒ、ｆｄ間に現れる。従って、複数の受信アンテナ２０による受信信号Ｓｒのビート周波数ｆｒ、ｆｄ間に現れる周波数を計測することで物標の水平方位角度（反射波の到来角度）が得られるのである。

［レーダ装置の各部の配置］
ここで、レーダ装置１の各部の配置について説明する。
図３に示すように、レーダ装置１は、低周波回路部２、アンテナ部３、および高周波回路部４が２つの板状のプリント基板のいずれかの一面にそれぞれ配置されて構成される。

なお、アンテナ部３は、前述の送信アンテナ１８と複数の受信アンテナ２０とからなり、送信アンテナ１８とこれに隣接する受信アンテナ２０とが所定距離ｄ１だけ離れて並列的に配置されている。また、受信アンテナ２０は隣接する各々が所定間隔ｄ２（但しｄ２＜ｄ１）だけ離れて並列的に配置されている。

低周波回路部２は、前述の増幅器２２、フィルタ２４、Ａ／Ｄ変換器２６、信号処理部１０（マイコン２８を含む）、電源回路２９、および各部を電気的に接続する配線パターンによって構成される。つまり、レーダ装置１の各部のうち、主に低周波信号を扱う部位によって構成されている。

一方、高周波回路部４は、前述のＶＣＯ１２、分配器１４、増幅器１６、ミキサ２１、および各部を電気的に接続する配線パターン等、主に高周波信号を扱う部位によって構成される。なお、高周波回路部４には、前述の電源回路２９とは別体に、高周波回路部４の各部に動作に必要な電力を供給する電源回路１９が含まれてもよい。

また、２つの基板のうち、面積が大きい方を主プリント基板６、面積が小さい方を副プリント基板７とする。
主プリント基板６は、図５に示す従来装置と同様に、例えばガラスエポキシ樹脂や紙フェノールといった一般的な絶縁材からなり、低周波回路部２と高周波回路部４とを一方の面である主面に実装可能な面積を有する。

本実施形態の主プリント基板６は、図５に示す従来装置から、低周波回路部２を主面に配置したままの状態で、高周波回路部４をおもて面（主面）から、アンテナ部３を裏面から取り除くことにより、主面において、低周波回路部２が残存した領域と、高周波回路部４を主面から取り除くことによりできた空きスペースとが形成されている。

一方、副プリント基板７は、主プリント基板６に比べて誘電正接の低い例えば四フッ化エチレン樹脂等のフッ素樹脂といった絶縁材からなり、主プリント基板６の主面における空きスペースに対応する面積を有する。

本実施形態の副プリント基板７は、図３（ｃ）に示すように、そのおもて面をフェイスダウンさせた状態で、はんだバンプ（例えば金系はんだを使用したバンプ）などの接続用金属３８を介して主プリント基板６に実装（固定）される。

また、副プリント基板７のおもて面には高周波回路部４が配置されており、接続用金属３８は、主プリント基板６の主面上に配置された低周波回路部２と、副プリント基板７のおもて面に配置された高周波回路部４とを電気的に接続する役割も有する。

そして、副プリント基板７の裏面には、アンテナ部３が配置されており、レーダ装置１は、このアンテナ部３が前方を向くように車両に取付けられる。なお、レーダ装置１では、アンテナ部３を保護するためにレドームを設けておくことも可能である。

ここで、アンテナ部３は、副プリント基板７の裏面に配置されることにより、配置面積が小さくなった分、送信アンテナ１８および受信アンテナ２０について、従来装置よりもアンテナ長さＤａが短く形成されている。

その理由は、図４に示すように、アンテナビーム幅（広がり角度）θが与えられたとき、その特性を得るのに必要なアンテナ長さＤａは、波長が短いほど（換言すれば使用周波数ｆｍが高いほど）短くなるためである。つまり、従来装置と比べてより高い周波数のミリ波等の高周波信号を扱うことにより、アンテナ長さＤａを短くすることが可能となり、これにより、アンテナ部３の配置面積を小さくすることが可能となる。

［効果］
以上説明したように、レーダ装置１では、主プリント基板６よりも小さい副プリント基板７だけに、誘電体損失の抑制に必要な絶縁材を用いることで、より高い周波数のミリ波等の高周波信号を扱うことができるため、従来装置のプリント基板の素材を全て一般的な絶縁材から特別な絶縁材に替える必要がなくなり、結果的に素材コストを抑制することができる。

また、レーダ装置１において、副プリント基板７は、おもて面をフェイスダウンさせて主プリント基板６に実装されているため、高周波回路部４が主プリント基板６と副プリント基板７とによって遮蔽されるため、外部からのノイズが高周波回路部４に入りにくく、また高周波回路部４から外部にノイズが漏れにくくなることから、装置の信頼性を高めることができる。

また、レーダ装置１において、副プリント基板７は、はんだバンプ（例えば金系はんだを使用したバンプ）などの接続用金属３８を介して主プリント基板６に実装されているため、コネクタ等で接続する場合と比較して、両基板間の電気的接続を確保しつつ、接続部の面積を小さくすることが可能となり、高周波回路部４の配置面積を確保しやすくすることができる。

また、レーダ装置１は、より高い周波数のミリ波等の高周波信号を扱うことができるため、物標に対する検知距離をよりのばすことが可能となる。このため、車両に搭載され、物標として自車両の進行方向に位置する他車両に関する情報を求め、他車両と自車両との距離を算出する装置として好適に用いることができる。

［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。

例えば、上記実施形態のレーダ装置１では、副プリント基板７のおもて面をフェイスダウンさせて主プリント基板６に実装させているが、これに限定されるものではなく、少なくとも、副プリント基板７が主プリント基板６の空きスペースに実装されていればよい。

また、上記実施形態では、ＦＭＣＷ方式のレーダ装置１を例示したが、これに限定されるものではなく、例えば二周波ＣＷ方式やパルス方式などのレーダ装置にも本発明を適用することができる。

１…レーダ装置、２…低周波回路部、３…アンテナ部、４…高周波回路部、６…主プリント基板、７…副プリント基板、１０…信号処理部、１４…分配器、１６…増幅器、１８…送信アンテナ、２０…受信アンテナ、２１…ミキサ、２２…増幅器、２４…フィルタ、２６…Ａ／Ｄ変換器、２８…マイコン、３８…接続用金属。

Claims (2)

1. 高周波信号に応じた電磁波であるレーダ波を送信する送信アンテナ（１８）と、外部から到来する前記レーダ波の反射波を受信する受信アンテナ（２０）とを有するアンテナ部（３）と、
   前記高周波信号を生成するとともに、前記受信アンテナから入力される受信信号と該高周波信号とに基づいて低周波信号を生成する高周波回路部（４）と、
   前記高周波回路部により生成された低周波信号に基づいて前記レーダ波を反射した物標に関する情報を求める低周波回路部（２）と、
   前記高周波回路部および前記低周波回路部を主面に実装可能な面積を有する板状の基板であって、絶縁体によって構成される主プリント基板（６）と、
   前記高周波回路部をおもて面に実装可能な面積を有する板状の基板であって、前記主プリント基板よりも誘電正接が低い絶縁体によって構成される副プリント基板（７）と、
   を備え、
   前記主プリント基板には、前記低周波回路部が主面に配置され、
   前記副プリント基板には、前記高周波回路部がおもて面、前記アンテナ部が裏面にそれぞれ配置され、
   前記副プリント基板が前記主プリント基板における主面の空きスペースに実装されてなるレーダ装置であって、
   前記副プリント基板は、前記おもて面をフェイスダウンさせて前記主プリント基板に実装されるとともに、前記高周波回路部と前記低周波回路部とを電気的に接続するように接続用金属（３８）を介して前記主プリント基板に実装されていることを特徴とするレーダ装置。
2. 当該レーダ装置は、車両に搭載され、
   前記物標は、当該車両の進行方向に位置する他車両であり、
   前記低周波回路部は、前記他車両と当該車両との距離を算出することを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。