JPH0862326A - ドップラーレーダシステム - Google Patents

ドップラーレーダシステム

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JPH0862326A
JPH0862326A JP7182686A JP18268695A JPH0862326A JP H0862326 A JPH0862326 A JP H0862326A JP 7182686 A JP7182686 A JP 7182686A JP 18268695 A JP18268695 A JP 18268695A JP H0862326 A JPH0862326 A JP H0862326A
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JP
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receiver
radar system
doppler radar
waveguide antenna
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JP7182686A
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J Aiden Higgins
ジェイ・アイデン・ヒギンス
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Boeing North American Inc
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Rockwell International Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 車間を検知し制御するための、安全で、効率
的で、低コストかつリアルタイムのドップラーレーダシ
ステムを提供する。 【解決手段】 システムは送信機モジュール２００と受
信機モジュール３００とを含む。各モジュールは、モノ
リシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）チップ２２
０、３２０に装着される、ホーン、レンズ、および導波
管システム２１５−２１７、３１５−３１７を含むアン
テナシステムを含む。各ＭＭＩＣチップは金属ベースヒ
ートシンクに装着される。送信機モジュール２００はＶ
ＣＯ２４０を含み、その出力は増幅され、３つの乗算器
チェーン２５３−２５５に順に切換えられ、アンテナシ
ステムに送られる。受信機モジュール３００は、順に選
択される３つの受信機３５３−３５５を含む。基準局部
発振器は送信機モジュールＶＣＯ２４０から電磁放射性
結合３７０によりＶＣＯ周波数で与えられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】この発明は、レーダシステムに関し、特
に、自走式車両のために設計された連続波ドップラー
（Doppler ）レーダシステムに関する。
【０００２】
【発明の背景】ハイウェイでの交通混雑を減らすための
１つの解決策は、既存のハイウェイを自動化によって、
より効率的にすることである。しかしながら、安全かつ
効果的であるためには、自動化されたハイウェイは、車
両をレーン内に位置決めし、かつ最適な車間距離を維持
する手段を必要とする。したがって全自動化されたハイ
ウェイシステムは、移動している車両の間隔を検出しか
つ制御するセンサおよびデータ処理システムを必要とす
る。
【０００３】提案されているインテリジェント車両ハイ
ウェイシステム（Intelligent Vehicle Highway Syste
m）（ＩＶＨＳ）などの、自動化されたハイウェイでの
車両の位置決めは、いかなるセンサシステムにも連続し
て受けられる、周囲からの多量の無秩序な、不必要な情
報により、複雑になる。システムの較正、変化する天
候、ハイウェイに出入りする車両、および遭遇するかも
しれない多数の他の障害に対する対策が行なわれなけれ
ばならない。車間距離を測定するための立体視などのパ
ッシブシステムと、ｍｍ波レーダ、レーザレーダ、およ
びソナーなどのアクティブセンサとを用いるものを含め
て、さまざまなシステムが自動化されたハイウェイに対
して提案されている。しかしながら、現在のところ既知
のおよび入手可能なシステムには、克服されていない高
費用要因および／または技術的問題がある。特に、自動
車のインテリジェントクルーズコントロール（ＡＩＣ
Ｃ）に適用されるレーダシステムは、市場に受入れられ
るためには低い製造費用でなければならない。これらの
制限、および自動化されたハイウェイを開発するという
目標に鑑みると、ハイウェイ上の自走式車両の間隔を検
知しかつ制御するための、安全な、効果的な、低費用
の、リアルタイムなシステムが必要とされる。
【０００４】
【発明の概要】この発明の好ましい実施例は、自走式車
両のために設計された連続波（ＣＷ）ドップラーレーダ
システムを含む。レーダアセンブリは、２つの自立モジ
ュール、すなわち、送信機モジュールおよび受信機モジ
ュールを含む。各モジュールは、すべての必要な電子的
機能を与えるモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩ
Ｃ）チップに装着された導波管アンテナおよびレンズシ
ステムを含む。各ＭＭＩＣチップは金属ベースのヒート
シンクに装着され得る。各モジュールの金属ベースは便
宜に、レーダアセンブリ全体を保持するベースプレート
ヒートシンクに装着される（たとえば白熱電球のように
差し込まれるかまたはねじ込まれる）ことができる。
【０００５】送信機モジュールのＭＭＩＣは、電圧制御
発振器（ＶＣＯ）と、３つの増幅器乗算器チェーンとを
含む。ＶＣＯは、より低いＶＣＯ周波数で小電力信号を
与え、これは、より高い周波数の伝送信号として３つの
異なる方向に伝送されるために、３つの増幅器乗算器チ
ェーンに順に切換えられる。送信機により発生される伝
送信号は、ＶＣＯに与えられるランプ信号により変調さ
れる周波数である。各伝送信号は、誘電体導波管により
ＭＭＩＣチップから取出され、伝送レンズに対して適切
な放射位置に送られる。
【０００６】受信機モジュールのＭＭＩＣは、局部発振
器増幅器と、乗算器と、ビーム方位走査機能を与えるよ
うに順に選択され得る、３つの受信機とを含む。受信機
モジュールのための基準局部発振器は、送信機モジュー
ルのＶＣＯから電磁放射性結合により、ＶＣＯ周波数で
与えられる。ハイパス特性を有する導波管受信機アンテ
ナと関連して局部発振器結合のために、より低いＶＣＯ
周波数を用いることは、受信機導波管アンテナ給電によ
って受信機入力ポートへ局部発振器が漏洩する可能性を
防ぐ。
【０００７】レーダ目標の位置および相対速度に関する
情報は、目標により反射されかつ受信機モジュールによ
り受取られる信号の周波数と、送信機モジュールの、同
じときの周波数とを比較することにより、得られる。直
角ミクサは、反射された信号に関する振幅および位相情
報を含んでいる、２つのデータ信号を出力するように、
受信機モジュールの各チャネルに対して用いられる。出
力信号の周波数は、非常に低く、一般に、たとえば２、
３Ｈｚから５０ｋＨｚの範囲である。
【０００８】この発明の主な目的は、車両のためのレー
ダシステムである。この発明の特徴は、伝送される周波
数より低い周波数で電磁信号により結合されるＭＭＩＣ
チップを有する、別個のレーダ送信機および受信機モジ
ュールを含む。この発明の利点は、自走式車両のため
の、低費用のモジュラドップラーレーダシステムであ
る。
【０００９】この発明のより完全な理解およびそのさら
なる利点のために、次の好ましい実施例の詳細な説明で
添付の図面を参照する。
【００１０】
【好ましい実施例の詳細な説明】この発明は、その好ま
しい実施例において、自走式車両のために設計された、
低費用の連続波（ＣＷ）ドップラーレーダシステムを含
む。図１に図示されるように、レーダアセンブリ１００
は、送信機モジュール２００および受信機モジュール３
００を含む。各モジュールは、ホーン（２０５、３０
５）と、ホーンに装着されかつ支持されるレンズ（２１
０、３１０）と、導波管システムとを含む。好ましい実
施例において、導波管システムは、それぞれ、３つの導
波管アンテナ素子２１５−２１７および３１５−３１７
を含む。各導波管システムは、それぞれのアンテナシス
テムを、すべての必要な電子的機能を与えるモノリシッ
クマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）チップ（２２０、３
２０）に接続する。ＭＭＩＣチップ（２２０、３２０）
に対して所定位置にレンズ（２１０、３１０）を保持す
るアンテナホーン（２０５、３０５）は、低費用の成形
プラスチックから製作され得る。各ＭＭＩＣチップ（２
２０、３２０）は、金属ベースのヒートシンク（２２
５、３２５）に装着され得る。各モジュール（２００、
３００）の金属ベース（２２５、３２５）は、便宜に、
レーダアセンブリ１００全体を保持するベースプレート
ヒートシンク３３０に装着される（たとえば白熱電球の
ように差し込まれるか、留められるか、またはねじ込ま
れる）ことができる。
【００１１】図１のＭＭＩＣチップ２２０および３２０
は、図２に、より詳細に示される。送信機モジュール２
００のＭＭＩＣチップ２２０は、電圧制御発振器（ＶＣ
Ｏ）２４０と、増幅器２４５と、乗算器のシステム２５
０とを含む。受信機モジュール３００のＭＭＩＣチップ
３２０は、局部発振器増幅器３４０と、乗算器３４５
と、受信機のシステム３５０とを含む。ＶＣＯ２４０
は、（たとえば簡単なワイヤアンテナ間の）電磁放射性
結合３７０により、ＶＣＯ周波数を増幅器３４０に出力
し、それにより受信機モジュール３００のための基準局
部発振器を構成する。
【００１２】送信機モジュール２００および受信機モジ
ュール３００の機能的構成要素は、図３に、より詳細に
示される。ＶＣＯ２４０は、典型的にはレーダシステム
１００の伝送周波数の、ある整数分数（すなわち１／
２、１／３、１／４など）であるＶＣＯ周波数で、小電
力信号を与える。一般に、レーダ伝送周波数は、電磁周
波数帯を割当てる政府機関により確立される。この発明
の１つの実施例は、たとえば、いくつかのヨーロッパ諸
国において自動車のレーダシステムのために割当てられ
る周波数である、７７ＧＨｚの伝送周波数で動作するよ
うに設計される。ＶＣＯ２４０により発生されるＶＣＯ
周波数信号は、増幅器２４５により増幅されて、切換手
段２４７により、乗算器２５３−２５５などの複数個の
乗算器に順に切換えられ、これらはより高い周波数の伝
送信号を発生する。伝送信号は、ランプ信号２４２によ
り変調される周波数でもよく、典型的には、たとえばＶ
ＣＯ２４０の電圧依存コンデンサに与えられる。各伝送
信号は、たとえば導波管アンテナ２１５などの誘電体導
波管アンテナにより、ＭＭＩＣチップ２２０から取出さ
れる。導波管アンテナ２１５−２１７（３１５−３１
７）は、ＭＭＩＣチップ２２０（３２０）から離れた端
部から放射する（受取る）ために設計され、かつ、高い
屈折率を有する誘電体材料、または、たとえばＧａＡｓ
もしくはＳｉなどの半導体材料を含み得る。動作におい
て、たとえば導波管アンテナ２１５は、乗算器２５３か
ら、所望の方向への放射のための、レンズ２１０に対し
て適切な放射位置に、伝送信号を送る。複数個の導波管
アンテナ２１５−２１７は、レンズ２１０とともに高周
波信号が、自走式車両の前方の、対応する複数個の方向
に伝送されるのを可能にする。この発明の好ましい実施
例は、自走式車両の前方に、十分なレーダ方位有効範囲
を与えるように、３つの送信機導波管アンテナ２１５−
２１７（および対応する３つの受信機導波管アンテナ３
１５−３１７）を用いる。
【００１３】たとえばＭＭＩＣチップ２２０の乗算器２
５３などの乗算器の好ましい実施例は、図４の概略回路
図に図示される。乗算器２５３は、複数個のバラクタ２
６０を含み、これらバラクタは、非線形伝送線システム
の形に接続され、増幅器２４５からの増幅されたＶＣＯ
信号の周波数を乗算して導波管アンテナ２１５に入力す
る。動作している乗算器２５３において、バラクタ２６
０は逆バイアスされる。切換手段２４７の機能は、バラ
クタ２６０を順方向バイアスすることにより、乗算器内
で達成され得る。順方向バイアスされると、バラクタ２
６０は短絡になり、順方向バイアスされたバラクタを備
えた乗算器は、増幅器２４５から受取られたＶＣＯ信号
を反射する。図５に示されるように、切換機能２４７
は、この例における乗算器２５３などの、選択された
（動作している）乗算器のバラクタ２６０を逆バイアス
し、かつ選択されない（反射している）乗算器２５４お
よび２５５のバラクタ２６０を順方向バイアスすること
により、達成され得る。
【００１４】この発明の１つの目的は、低費用で自動車
のレーダシステムを提供することである。従来のｍｍ波
装置において、導波管は典型的には、金属を適切な大き
さに機械加工することにより製作される。導波管は一般
に、それらの関連する集積回路チップより大きいが、そ
れでも、それらの大きさは非常に小さく、機械加工作業
に非常に費用がかかる。
【００１５】図６、図７、および図８は、低費用の製作
のために設計された導波管システム４００の例を図示す
る。図６は、この発明のＭＭＩＣチップ２２０と関連す
る導波管システム４００の破断した上面図を含む。図７
は、図６の断面線Ｂ−Ｂにおける断面図であり、図８は
断面線Ｃ−Ｃにおける断面図である。導波管システム４
００は、上セクション４０２と下セクション４０４とを
含む。図６において、上セクション４０２は、誘電体導
波管投波器２１１−２１３、導波管アンテナトラフ２１
５−２１７、およびＭＭＩＣチップ２２０を保持するた
めの窪みを図示するように、切り取られているが、これ
らはすべて下セクション４０４においてエッチングされ
る。セクション４０２および４０４は、たとえばシリコ
ンウエハなどの、電気的絶縁性の熱伝導材料を含み得
る。シリコンが提案されるのは、それが、導波管トラフ
を形成するように簡単にエッチングされ、多くの発射シ
ステムの並行処理に適し、十分に高い抵抗率で得られる
ことができ、費用の割に効果が高く、かつ導波管を形成
するために用いられるのと同じ基板上に製作されるアク
ティブ装置を有する実施例を可能にするからである。上
セクション４０２は、図７に図示されるように、ＭＭＩ
Ｃチップ２２０を点線の長方形により示される位置に保
持するように、ともに重ね合わされるときに下セクショ
ン４０４と係合するように、エッチングされる。セクシ
ョン４０２および４０４がともに重ね合わされる前に、
誘電体投波器２１１−２１３を除き、導波管アンテナト
ラフ２１５−２１７のエッチングされた内表面が、図７
および図８の太線で描いた表面４２０により示されるよ
うに、金属化される。導波管アンテナ２１５−２１７
は、図８に示されるように、レンズ２１０（図３参照）
に対して適切な放射位置に、伝送されるエネルギーを案
内するように形づくられる、先広がりのトラフを含む。
導波管アンテナトラフ２１５−２１７は、それぞれ、乗
算器２５３−２５５上の発射伝送線スタブとインピーダ
ンスを整合させる誘電体投波器２１１−２１３を備えた
チップ端部では狭い。導波管トラフ２１５−２１７の誘
電体投波器２１１−２１３はまた、遮断周波数をアンテ
ナシステムの伝送周波数より低く保持する。
【００１６】図７はまた、セクション４０２および４０
４が、僅かに異なる機能を達成するので、同一ではない
ことを図示する。下セクション４０４は、ＭＭＩＣチッ
プ２２０を保持し、かつチップ端縁で、チップ金属ライ
ンと整合する、誘電体リッジ（すなわち導波管投波器２
１１−２１３）を備えた、半分の高さの導波管アンテナ
トラフを示す。上セクション４０２は、チップ２２０の
伝送線への接続を行ない、したがって送信機エネルギー
を導波管リッジ２１１−２１３に送り出す、金属化され
たリッジを備えた、対応する半分の高さの導波管アンテ
ナトラフを示す。図８に示されるように、導波管アンテ
ナトラフを、レンズ２１０方向側の端部で最大の大きさ
に広がるように、セクション４０２および４０４の機械
加工およびエッチングが行なわれる。受信機モジュール
３００のための導波管システムは、上で述べた送信機導
波管アンテナシステムと同様に製作されかつ機能する。
【００１７】再び図３を参照すると、受信機モジュール
３００は、ＶＣＯ周波数で送信機モジュール２００のＶ
ＣＯ２４０から導出される電磁信号３７０を受取り、受
信機モジュール３００のための局部発振器信号を与える
局部発振器増幅器３４０を含む。より低いＶＣＯ周波数
を用いることは、典型的にはハイパスフィルタとして機
能する受信機アンテナシステムおよび導波管３１５−３
１７によって、レーダ受信機に局部発振器信号が漏洩す
る可能性を防ぐ。局部発振器信号は、増幅器３４０から
乗算器３４５まで送られ、乗算器３４５は、複数個の受
信機３５３−３５５に信号を与える。受信機モジュール
３００の受信機３５３−３５５の数は典型的には、送信
機モジュール２００の乗算器２５３−２５５の数に対応
する。受信機３５３−３５５の各々は一般に、受取られ
た、反射された信号を増幅するための低雑音増幅器（Ｌ
ＮＡ）と、受取られた、反射された信号の周波数と乗算
された局部発振器信号の周波数とを比較し、差周波数を
発生するための複合信号ミクサとを含む。好ましい実施
例において、受信機３５３−３５５の複合信号ミクサ
は、乗算されないＶＣＯ信号により、分数調波でポンピ
ングされ得る。受信機３５３の、分数調波でポンピング
される複合信号ミクサの例は、図９に概略的に図示され
る。ミクサは、ビーム方位走査機能を与えるように、そ
れらのベースバンド周波数出力ポートで順に選択され得
る。これらの特徴は、高い周波数での切換の必要を回避
し、かつヘテロ接合型バイポーラトランジスタ（ＨＢ
Ｔ）技術を用いて、コンパクトな、低費用の回路設計お
よび低雑音動作を可能にする。
【００１８】動作において、レーダアセンブリ１００
は、上で述べたように、レーダ方位有効範囲を与えるよ
うに、導波管アンテナ２１５−２１７の間で切換えられ
得る高周波信号を伝送する。しかしながら、良好に制御
された受信機アンテナサイドローブを有しているこの発
明の実施例では、送信機信号の実際の切換が必要ではな
い。伝送されるビーム内に位置するレーダ目標は、伝送
される信号の周波数、目標までの距離、ならびに目標お
よび自走式車両上に装着されたレーダアセンブリの相対
速度と関連する周波数で、受信機モジュール３００の方
に信号を反射する。レーダ目標の位置および相対速度に
関する情報は、目標により反射されかつ受信機モジュー
ル３００により受取られる信号の周波数と、送信機モジ
ュール２００により放射される、同じときの信号の周波
数とを比較することにより得られる。受信機モジュール
３００の各チャネルに対して、信号を比較しかつ結果を
低周波数出力増幅器３６０に与えるように、直角ミクサ
を用いることができる。増幅器３６０は、レーダ目標の
位置および相対速度に対応する、受取られた、反射され
た信号に関する振幅および位相情報を含む出力データ信
号（Ｉ、Ｑ）を与える。出力データ信号（Ｉ、Ｑ）は、
スイッチ手段３４７を用いて受信機３５３−３５５から
順に選択され得る。出力信号（Ｉ、Ｑ）の周波数は、非
常に低く、一般に、たとえば２、３Ｈｚから５０ｋＨｚ
の範囲である。
【００１９】上で説明されかつ図１に最良に示されるよ
うに、この発明は、別個の、「白熱電球」型の、簡単に
取替え可能なモジュールを構成し得る送信機および受信
機を含む、低費用のレーダアセンブリを提供する。モジ
ュールは、アセンブリ１００全体を支持するベースプレ
ートヒートシンク３３０にねじ込まれるかまたは差し込
まれ得る。ベースプレート３３０は、ＶＣＯ周波数でワ
イヤアンテナ３３５の間で結合信号３７０を伝搬するた
めの、導波管などの簡単な手段３３２を含み得る。結合
手段３３２はまた、局部発振器のレベル制御を与えるよ
うに、反射される結合信号３７０の制御された減衰のた
めの手段３３４も含み得る。
【００２０】この発明をその特定の実施例を参照して説
明したが、当業者により、さまざまな変更例および変形
例が、この発明の範囲から逸脱することなしに行なわれ
得る。したがって、この発明は前掲の特許請求の範囲内
にある変更例および変形例を含むことが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のモジュラレーダシステムの概略図で
ある。
【図２】この発明のレーダシステムの送信機および受信
機モジュールの概略図である。
【図３】この発明の送信機および受信機モジュールの機
能的構成要素の概略図である。
【図４】この発明の送信機モジュールの乗算器の概略回
路図である。
【図５】図４に示されるこの発明の乗算器の切換機能を
図示する概略ブロック図である。
【図６】この発明のための導波管アンテナシステムの実
施例の破断した上面図である。
【図７】図６の断面線Ｂ−Ｂにおける断面図である。
【図８】図６の断面線Ｃ−Ｃにおける断面図である。
【図９】この発明のための、分数調波でポンピングされ
る複合信号ミクサの実施例の機能的構成要素の概略回路
図である。
【符号の説明】
２００ 送信機モジュール ２１５−２１７ 導波管アンテナ ２２０ モノリシックマイクロ波集積回路チップ ２４０ 電圧制御発振器 ２５３−２５５ 乗算器 ３００ 受信機モジュール ３１５−３１７ 導波管アンテナ ３２０ モノリシックマイクロ波集積回路チップ ３５３−３５５ 低雑音受信機増幅器 ３７０ 電磁放射性結合
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０１Ｓ 13/93

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ドップラーレーダシステムであって、 伝送信号を発生するための送信機集積回路チップと、前
    記送信機集積回路チップに接続され、前記伝送信号を伝
    送する送信機導波管アンテナシステムとを含む送信機モ
    ジュールを含み、 前記送信機集積回路チップは、ＶＣＯ周波数信号を発生
    するための電圧制御発振器（ＶＣＯ）と、前記ＶＣＯに
    接続され、前記ＶＣＯ周波数信号を乗算し、前記伝送信
    号を発生する乗算器とを含み、前記ドップラーレーダシ
    ステムはさらに、 受信機導波管アンテナシステムに接続され、反射された
    伝送信号を受取る受信機集積回路チップを含む受信機モ
    ジュールを含み、 前記受信機集積回路チップは、前記受信機導波管アンテ
    ナに接続された低雑音受信機増幅器を含み、前記受信機
    増幅器は、ミクサを含み、前記ドップラーレーダシステ
    ムはさらに、 電磁放射により前記送信機ＶＣＯ周波数信号を前記受信
    機モジュールに結合するための手段を含む、ドップラー
    レーダシステム。
  2. 【請求項２】 前記送信機モジュールはさらに、 前記ＶＣＯに接続された、少なくとも３つの乗算器と、 少なくとも３つの送信機導波管アンテナ素子とを含み、
    前記送信機導波管アンテナ素子の各々は、前記乗算器の
    うち対応する１つに接続され、 前記送信機導波管アンテナ素子は、前記伝送信号を少な
    くとも３つの方位方向へ伝送する、請求項１に記載のド
    ップラーレーダシステム。
  3. 【請求項３】 前記送信機集積回路チップはさらに、前
    記少なくとも３つの導波管アンテナ素子の間で前記伝送
    信号を切換えるための手段を含む、請求項２に記載のド
    ップラーレーダシステム。
  4. 【請求項４】 前記受信機モジュールはさらに、 少なくとも３つの受信機導波管アンテナ素子を含み、前
    記受信機導波管アンテナ素子は、少なくとも３つの方位
    方向から前記反射された伝送信号を受取り、さらに少な
    くとも３つの低雑音受信機増幅器を含み、前記低雑音受
    信機増幅器の各々は、前記受信機導波管アンテナ素子の
    うち対応する１つに接続され、さらに少なくとも３つ
    の、分数調波でポンピングされる複合信号ミクサを含
    み、前記ミクサの各々は、前記低雑音増幅器のうち対応
    する１つに接続される、請求項３に記載のドップラーレ
    ーダシステム。
  5. 【請求項５】 前記ミクサの各々は、レーダ目標の位置
    および相対速度に対応する振幅および位相情報を得るた
    めに、前記受取られた、反射された信号と、前記送信機
    ＶＣＯ周波数信号に対応する信号とを比較するための手
    段を含む、請求項４に記載のドップラーレーダシステ
    ム。
  6. 【請求項６】 前記レーダ目標の前記位置および相対速
    度に対応する前記振幅および位相情報を含むデータ信号
    を出力するための手段をさらに含む、請求項５に記載の
    ドップラーレーダシステム。
  7. 【請求項７】 前記モジュールの各々はさらに、レンズ
    を前記導波管アンテナ素子と間隔をおいて装着するため
    のホーンアセンブリを含む、請求項６に記載のドップラ
    ーレーダシステム。
  8. 【請求項８】 前記送信機および受信機集積回路チップ
    は、モノリシックマイクロ波集積回路チップ（ＭＭＩ
    Ｃ）を含む、請求項７に記載のドップラーレーダシステ
    ム。
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