JPH07234274A - 小型でフレキシブルな集積型ミリ波レーダセンサ - Google Patents
小型でフレキシブルな集積型ミリ波レーダセンサInfo
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Abstract
小型且つフレキシブルな集積ミリ波レーダセンサの提
供。 【構成】 周波数変調搬送波信号を送信するための送信
機とその反射信号を受信するための受信機を備えたモノ
リシックミリ波集積回路(MMIC)トランシーバを有
するトランシーバ手段であって、MMICトランシーバ
回路が単一のモノリシックチップ上に集積されているよ
うなトランシーバ手段と、所望フィールド内の信号を送
信し且つ受信するためにトランシーバ手段に接続された
アンテナ手段と、トランシーバ手段に接続され受信信号
を分析してフィールド内の対象物の存在を検出するデジ
タル信号プロセッサを含むプロセッサ手段とを備える。
Description
型でフレキシブルな集積型のミリ波レーダセンサに関す
る。
ールド内の対象物を検出するために用いられる。一般の
感知システムは、レーダ、レーザ、赤外線(IR)若し
くは、紫外線の原理を用いて開発される。しかしなが
ら、これらのシステムはそれぞれに欠点を持つ。現在の
レーダセンサは、非常に低い周波数で動作するため、高
度のモノリシックミリ波集積回路(MMIC)や小型パ
ッチアンテナ技術に組み込むことはできない。通常、こ
れらの感知装置は容積が大きく、ホストシステム内に組
み込むことは困難である。更に、現在のレーダ感知装置
は多数の素子を必要とするため、装置のコストも増大す
る。このため、これらのシステムは、モジュール性及び
適応性の点で制限され、この結果、適用分野も制限され
る。通常のレーザセンサは、一般に、コストが非常に高
くつき、また健康を害するおそれさえある。更に、これ
らのセンサは霧や煙のような環境状況によって制限され
る。赤外線及び紫外線センサでは、環境的な妨害によっ
て感度が制限されたり、また他の同様な原因によって妨
害されたり、またノイズによって制限される。
み込むことができ、実効的でコンパクト且つフレキシブ
ルな集積レーダセンサが必要とされる。取り分け、自動
車や宇宙、防御を要する分野等で、小型、低コストの、
フレキシブルなレーダセンサが必要とされる。このよう
な分野として、レーダセンサを自動車の車輪の上に設置
し、ブラインドスポット検出器(blind spot detector)
を提供して衝突を防止する場合が含まれる。四輪駆動機
能を含むような高度の自動車設計では、巡行制御(cruis
e control)、正確な車体速度の測定、及び四輪ステアリ
ングのため、自動車の真の対地速度を決定する小型セン
サが必要とされる。更に、車体高さを決定し、高度の適
応型サスペンションシステムより前に道路表面を調査す
るため、小型センサが必要とされる。更に、多くの分野
で、例えば夜間に活動する装甲車、重量の大きいロボッ
ト型装置、及びあらゆる型の輸送装置における衝突防止
や、霧や戦場域の煙のような状況下で、小型、モジュー
ル型の、低コストセンサが必要とされる。
に開発された。通常のシステムでは一般に、レーダ、レ
ーザ、赤外線及び紫外線センサが用いられる。しかしな
がら、これらのシステムは、コストが高いこと、性能が
低いこと、サイズが大きいこと、更に、適応性が制限さ
れること等から、幅広く用いられるものではなかった。
に動作するレーダセンサを得ることが望まれる。更に、
このようなレーダセンサを、様々なシステムに容易に設
置できることが望まれる。このようなシステムとして、
自動車が含まれ、ブラインドスポット検出器、真の対地
速度測定装置、車体高さ測定装置、及び他の様々な分野
に適用することができる。
ジュール型、フレキシブルな、ミリ波レーダセンサが提
供される。このセンサは、周波数変調型の搬送波信号を
送信するための送信器と、反射信号を受信するためのト
ランシーバを有するモノリシックミリ波集積回路(MM
IC)トランシーバを備える。所望フィールド内の信号
を送信及び受信するため、マイクロストリップパッチア
ンテナが設けられている。デジタル信号プロセッサは信
号の受信及び分析も行なう。
レーダセンサ10が示されたブロック図である。レーダ
センサ10は、モノリシックミリ波集積回路(MMI
C)トランシーバ12を用いる。トランシーバ12は、
従来から知られている標準的な写真石版術技術を用いて
単一のモノリシックチップ13上に構成されたMMW送
信及び受信機能を提供する。トランシーバ12は、増幅
器22に接続された電圧制御発振器(VCO)20を含
む。増幅器22は更に、送受切換器24のポートAに接
続されたカプラ25に接続されている。プリアンプ28
は、送受切換器24のポートBに接続され、アンテナ1
4によって受信された反射信号を増幅する。プリアンプ
28の出力に接続された入力を持つ平衡形ミクサ26が
設けられる。平衡形ミクサ26は更に漏れ信号を受信す
るようなものとされている。この漏れ信号は、電圧制御
発振器20及び送信増幅器22によって発生された送信
信号がカプラ25から出力されたものである。平衡形ミ
クサ26は送信信号と反射信号との差を与えるようなも
のとされている。平衡形ミクサ26の出力は、レンジ情
報を含んだうなり周波数として知られる中間周波数(I
F)である。代替実施例では、送受切換器24及びカプ
ラ25を取り除いて簡易なカプラで置換し、更にコスト
の減少及びサイズを小型化を可能とする。
送受切換器24のポートCに接続される。アンテナ14
は、監視すべき所望フィールドを通過する高周波変調搬
送波信号を送信するようなものとされている。この送信
信号は、35〜94GHz辺りの周波数を持つであろ
う。より高い周波数信号を用いることもできる。アンテ
ナ14は、更に、反射信号を受信するようなものとされ
ている。この反射信号は、フィールド内に位置する対象
物から反射された送信信号によって生じたものである。
出力に接続されており、この出力からのIF出力信号を
増幅させる。IFプリアンプ30の出力は、高いダイナ
ミックレンジを提供する自動ゲイン制御増幅器32に接
続される。アナログ対デジタル変換器34は自動ゲイン
制御増幅器32の出力に接続され、その出力からの信号
を受信する。アナログ対デジタル変換器34は更に、デ
ジタル信号プロセッサ16のクロック37からのクロッ
ク信号を受信し、且つデジタル信号プロセッサ16へデ
ジタル信号を与えるようなものとされている。アナログ
対デジタル変換器34は、標準的なオフ・ザ・シェルフ
(off-the shelf)8ビット変換器であり、IF信号を処
理し且つ約48dBのダイナミックレンジを与えること
ができる。デジタル対アナログ変換器36はデジタル信
号プロセッサ16に接続され、そこからの入力信号を受
ける。デジタル対アナログ変換器36は、約50dBの
ダイナミックレンジを与える自動ゲイン制御増幅器32
に対して、ゲイン制御信号を与えるようなものとされて
いる。自動ゲイン制御増幅器32は、アナログ対デジタ
ル変換器34、デジタル信号プロセッサ16及び、デジ
タル対アナログ変換器36と連絡し、ダイナミック調整
制御ループ35を形成する。制御ループ35は、ターゲ
ット反射の変動を処理するのに必要とされるダイナミッ
クレンジと所望の距離レンジを与える。
ッサ16に接続され、そこから方形波信号を受信する。
FMモジューラ40は、方形波波形と同様の周期性で、
三角変調波形信号(triangular modulation waveform si
gnal) を与えるよう形成されている。FMモジューラ4
0の出力は、トランシーバ12の電圧制御発振器20の
入力に接続され、周波数変調信号をその発振器に与え
る。
インタフェース42に接続される。外部インタフェース
42は、出力ディスプレイ44及び入力端子46への接
続を与える。デジタル信号プロセッサ16は、AT&T
によって生産されており、モデル番号はDSP16であ
る。モトローラ社の56001や、テキサス インスト
ルメンツ社のTMS320C15のような他の適当なデ
ジタル信号プロセッサを使用することもできる。デジタ
ル信号プロセッサ16は、全ての必要な処理と該プロセ
ッサに内蔵された知的機能を実行する。プロセッサ16
は処理能力を備え、デジタルフィルタリング、集積化
(integrations) 及び、様々な他の処理機能を提供す
る。本質的にデジタル信号プロセッサ16は、制御信号
を与えて、監視中のフィールド内の対象物からのなんら
かの反射信号を検出し、そこから出力応答を与えるよう
なものとされている。周波数シフト及び他の情報から、
デジタル信号プロセッサ16は距離情報を与える。
ら+5Vの直流電圧を与える。もう一方の小型電圧調整
器48は、12Vの直流電源から+10Vの直流電圧を
与える。他の実施例では、異なる電圧調整器を用いて他
の電圧源から+5V及び+10Vの直流を与えることも
できる。図2は、モノリシックミリ波集積回路(MMI
C)トランシーバ12の一実施例を示すブロック図であ
る。トランシーバ12は、FM変調器40からFM変調
信号を受信するようにされた電圧制御発振器(VCO)
12を備え、そこから周波数変調搬送波信号を与える。
電圧制御発振器20は高電子移動トランジスタ(high e
lectron mobility transister)(HEMT)及び関連す
るタンク回路を含み、搬送信号を与える。電圧制御発振
器20は、発振タンク回路に配置されたバラクタに電圧
を与えることによって変調される。電圧制御発振器20
は、第一の増幅段21と第二の増幅段23を備える二段
増幅器22に接続されている。増幅器22は信号を増幅
し、増幅された信号は、送受切換器24及びカプラ25
を通じてアンテナ14に送信される。増幅器22はカプ
ラ25のポートDに接続される。カプラ25のポートE
は送受切換器24のポートAに接続される。アンテナ1
4への送信出力は、送受切換器24のポートCを通過す
る。増幅器22と関連して電圧制御発振器20と組み合
わさり、送信機50を形成する。
二段27を有する二段プリアンプ28を含む。プリアン
プ28は、アンテナ14によって集められた反射信号を
受信し且つ増幅するようにされている。平衡形ミクサ2
6はプリアンプ28の出力に接続される。平衡形ミクサ
26及びプリアンプ28は共に、受信機52を形成す
る。送受切換器24及びカプラ25は、送信機50を受
信機52から分離するためのネットワークを形成する。
カプラは、受信機52のミクサ26に対する基準送信信
号路と送受切換器24及びアンテナ14に対する送信路
を与える。平衡形ミクサ26は基準信号と反射信号との
差を与え、うなり周波数として知られる中間周波数(I
F)を得る。こうして生じたうなり周波数は、2つの信
号間の周波数差を含む。
2’の他の実施例では、図2に示された元の送受切換器
24とカプラ25とが簡易なカプラ31と置き換えら
れ、コストの減少とMMICトランシーバのサイズの減
少を可能とする。電圧制御発振器20と二段送信増幅器
21及び23は基本的には、チップのレイアウトを除け
ば元の送信機と同じである。二段増幅器27及び29、
及び平衡形ミクサ26は、元の実施例と同様であるが、
チップのレイアウトと、平衡形ミクサ26において更
に、基準信号として使用される漏れ送信信号を受信する
ようにされている点で異なる。漏れ信号は、電圧制御発
振器20によって発生された信号から生じるものであ
り、この信号は、増幅器23から増幅器29へ新しいカ
プラ31と交差する漏れ路39と交差するようにして送
信される。図3に示されたMMICトランシーバの他の
実施例では、送信機50と受信機52との間を隔離して
いる間、この漏れ信号をより有効に利用する。
パッチアンテナ14の設計例を示す。複数の放射/受信
マイクロストリップパッチ54が4×4の配列で設けら
れている。代替実施例として、4×2、及び4×1の配
列を使用することもできる。マイクロストリップパッチ
54はマイクロストリップ供給ライン56によって接続
される。アンテナ14は、プリント回路上にエッチング
されるようになっており、様々な配列設計においてこの
ような複数のマイクロストリップパッチ54を提供する
ものとすることができる。ビームの形態は実質的に配列
設計によって決定され、異なる分野に対しては、異なる
適用範囲を与えるようなものとすることができる。この
結果生まれたアンテナ14は、小型且つプレーナ型であ
り、様々な分野に、またその設置要求に適するよう容易
に変形可能なパッチパターンを有する。自動車の分野で
は、このプレーナアンテナにより、テイルライトアセン
ブリや、サイドミラーアセンブリ、若しくは車両の後部
のバンパにレーダセンサを組み込むことが可能とされ
る。本明細書に示した特別なアンテナ設計例によれば、
サイズ全体で1.5インチ×1.5インチより小さなも
のが提供される。しかしながら、特定の分野毎に様々な
形態とサイズを用いることができる。
な機能を示すブロック図である。このデジタル信号プロ
セッサ16によって実行することができる信号処理機能
には、デジタルフィルタリングや、クラッタの除去、誤
り検出の減少、及び感度の増加を行なうための集積化が
含まれる。内蔵型知的機能には、決定ロジック、ディス
プレイ、及びアナンシエーション制御、及び自己テスト
が含まれる。デジタル信号プロセッサ16はこれらの機
能をファームウエア内で実行し、可能な限り最低に抑え
られた反復コスト(recurring costs) を達成する。ファ
ームウエアはリードオンリメモリ(ROM)で作られた
機械コードのようなソフトウエアを含むこともできる。
デジタル信号プロセッサ16はデジタル化されたデータ
をアナログ対デジタル変換器34から読み出し、自動ゲ
イン制御増幅器32に与えられるゲイン制御を計算す
る。
ァームウエアは、レーダデータを完全な掃引(sweep)に
て読み出し、およそ2.5メガヘルツのサンプリング率
でデータを捕獲する。デジタル信号プロセッサ16は高
速フーリエ変換(FFT)を計算する。FFTの計算か
ら全エネルギーが概算され、自動ゲイン制御増幅器32
に与えられるゲイン制御信号を計算するために使用され
る。この変調データは、更にレンジビン(range bins)に
分割され、有効なもどりを検出する。幾つかの掃引が変
調され且つ累積され、受信信号の信号対ノイズ比で6d
Bの処理ゲイン(processing gain)を生じる。デジタル
信号プロセッサ16は、スペクトルに重みを付加し(wei
ght)、クラッタの影響を減少させる。閾値の決定機能が
レンジビンに適用され、有効なもどりを検出する。これ
らのもどりは、前の掃引から得られたいくつかの過去の
決定と比較される。過去の戻りと比較することにより、
デジタル信号プロセッサ16は決定用の閾値とクラッタ
重み付け機能(clutter weighting functions) を環境変
化に適応させ、有効なもどり区別を増大させると共に、
妨害及びスプリアスもどりを排除する。デジタル信号プ
ロセッサ16はまた、最も近い有効もどりを決定する。
最後に周期的に更新される表示がその決定を与える。
の例としてのパッケージ設計を示したものである。レー
ダセンサモジュール60は、ハウジングサブアセンブリ
62、レードーム/カバー64及び、支持プレート(図
示せず)と2つのプリント回路ボードアセンブリ66、
68を有する電気サブアセンブリを有するものとして示
されている。プリント回路ボードアセンブリ68は、支
持プレート上部に薄板を重ね合わせて作られており、こ
のボードアセンブリは、その上にエッチングされたパッ
チアンテナアセンブリと、プリアンプ回路と共にMMI
Cトランシーバを有する。このアセンブリは、フレキシ
ブルなジャンパケーブルによって、支持プレート後部に
取り付けられた他の多層デジタルプリントボードアセン
ブリ66に接続されている。第二プリント回路ボードア
センブリ66は、両側に取り付けられた素子を有し、モ
ジュールのサイズを最少なものとする。レードーム/カ
バー64がモジュール60の上部に接着され、全モジュ
ール60全体を湿気からシールすると共に、衝撃から保
護する。ここで述べた本発明は、この特定のモジュール
設計に限定されるものではなく、異なる分野に対して様
々に変形することもできる。
実効的且つ小型のフレキシブルな集積レーダセンサをつ
くり出すことができる。このように、本発明を特定の実
施例との関連させて述べてきたが、以下の請求の範囲に
よって定義される以外に、この実施例によって本発明を
限定しようとするものではない。なぜなら、本明細書及
び図面を検討した後に、本発明の範囲から逸脱すること
なく、当業者は他の変更に気付くだろうからである。
ブロック図。
ンシーバを示すブロック図。
ンシーバの代替実施例を示すブロック図。
ナの設計例を示す図。
能を示すブロック図。
示す図。
Claims (20)
- 【請求項1】 所望フィールド内の対象物を検出するた
めの小型レーダ装置において、周波数変調搬送波信号を
送信するための送信機とその反射信号を受信するための
受信機を備えたモノリシックミリ波集積回路(MMI
C)トランシーバを有するトランシーバ手段であって、
前記MMICトランシーバ回路は単一のモノリシックチ
ップ上に集積されているようなトランシーバ手段と、 所望フィールド内の前記信号を送信し且つ受信するため
に前記トランシーバ手段に接続されたアンテナ手段と、 前記トランシーバ手段に接続され、受信信号を分析して
前記フィールド内の対象物の存在を検出するデジタル信
号プロセッサを含むプロセッサ手段とを備えたことを特
徴とする小型レーダ装置。 - 【請求項2】 請求項1記載のレーダ装置において、更
に、前記デジタル信号プロセッサと前記トランシーバ回
路の間に接続され、所定の変調信号を前記トランシーバ
に与えるようにされている周波数変調器を備えるレーダ
装置。 - 【請求項3】 請求項2記載のレーダ装置において、更
に、前記レーダ装置のダイナミックレンジを調整する制
御手段と、付加的な信号変換及び処理を行なう中間周波
数(IF)信号を与える回路手段とを備えるレーダ装
置。 - 【請求項4】 請求項3記載のレーダ装置において、前
記制御手段は、前記デジタル信号プロセッサからアナロ
グゲイン制御信号を受信し、そこから出力を与える自動
ゲイン制御増幅器と、前記自動ゲイン制御増幅器の出力
をデジタル化して前記デジタル信号プロセッサにデジタ
ル信号を与えるアナログ対デジタル変換器と、前記デジ
タル信号プロセッサからデジタルゲイン制御信号を受信
して、前記アナログゲイン制御信号を与えるデジタル対
アナログ変換器とを備えるレーダ装置。 - 【請求項5】 請求項4記載のレーダ装置において、前
記トランシーバ回路は、所定の波形変調信号を受信して
周波数変調搬送波信号を発生する電圧制御発振器と、前
記発振器に接続されて周波数変調搬送波信号を増幅する
増幅手段とを備え、前記発振器及び増幅手段は前記送信
器を形成して増幅された周波数変調搬送波信号を前記ア
ンテナ手段に与えるレーダ装置。 - 【請求項6】 請求項5記載のレーダ装置において、前
記トランシーバ回路は、更に、前記アンテナ手段から反
射信号を受信するプリアンプ手段と、前記プリアンプ手
段に接続され、電圧制御発振器から基準送信信号を受信
し、基準送信信号を受信された反射信号と混合してその
間の差を与える平衡形ミクサとを備え、前記プリアンプ
及び平衡形ミクサは前記受信器を形成するレーダ装置。 - 【請求項7】 請求項6記載のレーダ装置において、前
記MMICトランシーバは、更に、送信器と受信器、及
び前記送受切換器とアンテナとの間の接続及び隔離を提
供するカプラを備えたレーダ装置。 - 【請求項8】 請求項7記載のレーダ装置において、前
記MMICトランシーバは、更に、前記送信機及び受信
機とカプラとの間に接続された送受切換器を備え、前記
送受切換器は前記送信された信号を前記送信機からアン
テナに送信し、また、反射信号を前記アンテナ手段から
受信機に送信することができるようにされており、前記
送受切換器は更に、送信機を受信機から隔離するように
されているレーダ装置。 - 【請求項9】 請求項8記載のレーダ装置において、前
記平衡形ミクサによって受信された前記基準送信信号は
電圧制御発振器においてカプラを通過する信号によって
与えられるレーダ装置。 - 【請求項10】 請求項9記載のレーダ装置において、
前記アンテナ手段はマイクロストリップパッチアンテナ
を備え、前記アンテナは、回路ボード上にエッチングさ
れ、マイクロストリップラインによって接続された複数
のパッチを含むレーダ装置。 - 【請求項11】 請求項10記載のレーダ装置におい
て、前記MMICトランシーバ、アンテナ、プロセッ
サ、変調器、制御及び回路手段は、小さく、小型の、低
プロフィール(profile) 単一モジュールに集積されてお
り、前記レーダ装置に適応性及びモジュール性を与える
レーダ装置。 - 【請求項12】 請求項11記載のレーダ装置におい
て、前記プリアンプ手段は第一及び第二の増幅段を備え
た二段プリアンプを含むレーダ装置。 - 【請求項13】 請求項12記載のレーダ装置におい
て、前記増幅手段は、第一及び第二の増幅段を備えた二
段アンプを含むレーダ装置。 - 【請求項14】 請求項6記載のレーダ装置において、
前記MMICトランシーバは、更に、前記送信機と受信
機を隔離するカプラ手段を備え、前記送受切換器及びア
ンテナに送信路を与えている間に、更に、送信機の前記
電圧制御発振機からの漏れ送信信号を受信機の平衡形ミ
クサに基準信号として与えるレーダ装置。 - 【請求項15】 請求項14記載のレーダ装置におい
て、前記漏れ信号は電圧制御発振器において前記カプラ
を通じ内部漏れ路を通じて送信された前記送信信号から
与えられ、受信機の平衡形ミクサに基準信号を与えるレ
ーダ装置。 - 【請求項16】 所望フィールド内の対象物をそのフィ
ールド内に配置された対象物による反射信号からのうな
り周波数シフトと振幅によって検出する小型レーダ装置
であって、前記装置は、 周波数変調搬送波信号を送信するための送信機とその反
射信号を受信するための受信機を備えたモノリシックミ
リ波集積回路(MMIC)トランシーバを有するトラン
シーバ手段であって、前記MMICトランシーバ回路は
単一のモノリシックチップ上に集積されているようなト
ランシーバ手段と、 所望フィールド内の前記信号を送信及び受信するための
トランシーバ手段に接続されたマイクロチップパッチア
ンテナを含むアンテナ手段と、 前記トランシーバ手段に接続され受信信号を分析して前
記フィールド内の対象物の存在を検出するデジタル信号
プロセッサを含むプロセッサ手段と、 レーダ装置のダイナミックレンジを調整する制御手段と
を備えたことを特徴とする小型レーダ装置。 - 【請求項17】 請求項16記載のレーダ装置におい
て、前記送信機は、周波数変調搬送波信号と基準送信信
号を受信機に与える局部電圧制御発振器と、前記発振器
に接続されて周波数変調搬送波信号を増幅する送信増幅
器を含む増幅手段とを備えるレーダ装置。 - 【請求項18】 請求項17記載のレーダ装置におい
て、前記受信器は、前記アンテナ手段から受信された反
射信号を増幅する受信プリアンプを含むプリアンプ手段
と、 前記プリアンプ手段に接続され、基準送信信号と前記受
信信号間の差を与えることによって反射信号を中間周波
数に変換する平衡形ミクサとを備えるレーダ装置。 - 【請求項19】 請求項18記載のレーダ装置におい
て、前記MMICトランシーバ回路は更に、 前記送信機と受信機との間の隔離を与える送受切換器
と、 送信機及び受信機をアンテナに接続し、また、基準送信
信号を平衡形ミクサに与えるカプラとを備えるレーダ装
置。 - 【請求項20】 請求項19記載のレーダ装置におい
て、前記制御手段が、前記デジタル信号プロセッサから
アナログゲイン制御信号を受信し、そこから出力を与え
る自動ゲイン制御増幅器と、前記自動ゲイン制御増幅器
の出力をデジタル化して前記デジタル信号プロセッサに
デジタル信号を与えるアナログ対デジタル変換器と、前
記デジタル信号プロセッサからデジタルゲイン制御信号
を受信して、前記アナログゲイン制御信号を与えるデジ
タル対アナログ変換器とを備えるレーダ装置。
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