JPH09507632A - 指向性レーダ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 レーダ配列、例えば周波数変調連続波（FMCW）レーダ配列にはビーム走査を行うためにオフ照準ビームで作動するアンテナアレイを設ける。このアンテナアレイは最終走査方向に関して傾斜する波面を発生するように配列された複数のアンテナエレメント(16.1乃至16.10)を具える。傾斜波面は、アンテナエレメント(16.1乃至16.10)(図６−図示せず))を傾斜することによって、またはプリズム状エレメント(20.1乃至20.14)(図4A))を用いることによって発生させる。ビーム偏向プリズム(22)によって所望の方向に伝搬する走査波面を発生させる。

Description

【発明の詳細な説明】 指向性レーダ装置発明の技術分野 本発明は自動車に用いる安価な周波数−走査レーダ装置に適用するに好適な指 向性レーダ装置に関するものである。また、本発明はかかるレーダ装置に用いる に好適なアンテナアレイに関するものである。発明の背景 アンテナアレイを用いてこのアレイのアンテナエレメントに供給される発振器 信号の相対位相を変更することによって円弧をカバーする走査ビームを発生する レーダシステムは既知である。かかるアンテナは例えばSkolnik,Rader Handbook から既知であり、本願の図１に示される構成を有する。ビーム走査を行う１つの 技術はアンテナアレイのアンテナエレメントをジグザグ状または蛇行状給電線上 の等間隔に配列された順次の口出しタップ点から給電することである。発振器信 号はジグザグ状給電線に結合し、送信信号の方向は供給された信号の周波数によ って決まる。中心周波数では順次のアンテナエレメント間の給電線の長さは波長 の整数となり、放射信号は互いに同相となる。これによりストレートアヘッドま たは照準ビームを形成する。周波数が増大するにつれて、例えば、波長が増大し 、口出しタップ点間の波長の距離が増大し、これにより順次のアンテナエレメン ト間の位相差が増大する。これがため１方向に中心がずれたアンテナアレイから ビームを得ることができる。周波数を増大することによって他の方向に中心がず れたビームを得ることができる。あるいは又、アンテナアレイ間の位相変化は位 相推移によって行う。 アンテナアレイによる主な欠点は、給電線（移相器、遅延線を経るかジグザグ 給電線を用いるか）と、アンテナエレメントとの間が僅かに不整合となっても発 振器に戻る発振器信号が反射するようになることである。換言すれば、アンテナ アレイの長さに垂直な照準ビームでは、アンテナエレメントは互いに同相で給電 され、従ってこれらの反射が互いに同相で加算されて効率が著しく低下するよう になる。かかるアンテナアレイの照準ビーム近くの性能が劣化する状態を図２に 示す。発明の概要 本発明の目的は上述した欠点を除去せんとするにある。 本発明はレーダ信号を送信する手段と、戻り信号を受信する手段と、前記戻り 信号から距離および方向情報を取出す処理手段とを具え、信号の送受信手段のう ちの少なくとも１つが走査可能なアンテナアレイを含む指向性レーダ装置におい て、前記走査可能なアンテナアレイは前記アレイに垂直とならないように配列さ れた特性に指向性ピークを有する複数のアンテナエレメントを具えることを特徴 とする。 アンテナアレイを照準ビームから離間して作動させて不整合の問題をほぼ回避 することは既に行われている。しかし、これは、照準ビーム方向の特性よりも悪 い特性の部分に亘り個別のアレイエレメントが作動するとともにアレイのグレー ティングローブの１つがエレメントの特性のピーク近くにあると云うことを意味 する。これがため戻り失敗および感度不良のような指向性レーダの重大な問題が 生じ得るようになる。しかし、本発明レーダ配列のアンテナアレイによって、個 別のエレメントが上記問題を解決するように最良に作動する方向を変更する。ア ンテナアレイの他の考察はエレメントの特性およびアレイの特性が互いに減結合 することである。 このアンテナアレイの中心ビーム方向、即ち、照準ビーム位置はアレイに垂直 とはならず、スペースを考慮する場合、例えば、衝突防止の目的で自動車の前面 にアンテナを装着する場合には、アンテナが大きくなり過ぎるようになる。従っ て、ビーム偏向手段、例えばアンテナアレイの前面にプリズムを設けて全ビーム を偏向してアレイにほぼ垂直に戻るようにすることができる。 走査可能なアンテナアレイは送信されたレーダ信号およびレーダの受信側に結 合された非走査アンテナに適用することができる。或は又、非走査送信アンテナ を用いるとともに走査アレイを受信機に結合する。しかし、同一のアンテナをレ ーダの送信側および受信側の双方に用いるのが好適である。その理由は斯様にす ることによって送信電力を良好に使用でき、且つ受信機の感度を著しく低下させ ないからである。サーキュレータを用いて送受信信号をレーダ配列内で分離し得 るようにするのが好適である。 本発明の他の例では、複数のアンテナエレメントと、これらアンテナエレメン トに給電を行うジグザグ給電手段とを具えるアンテナアレイにおいて、前記複数 のアンテナエレメントは前記アレイに垂直とならないように配列された特性に指 向性ピークを有するようにすることを特徴とする。 所望に応じ、前記アンテナアレイには、そのビームを前記アレイに垂直に偏向 するアンテナエレメントからのビーム経路に配列されたビーム偏向手段をさらに 具えるようにする。このビーム偏向手段にはアンテナエレメントから波面に対し 垂直に配列されたプリズム状エレメントを設ける。一例では、作動時に波面が通 過するプリズム状エレメントの表面をアンテナエレメントに対し平行とならない ようにする。他の例では、ほぼ90度で前記波面が入射するプリズム状素子の表面 に反射防止膜を設ける。図面の簡単な説明 図１はジグザグ給電線を有する既知のアンテナアレイを構成を示すブロック図 、図２は固定振幅駆動信号に対するアンテナアレイの出力と角度方向との関係を 示す特性図、 図３は単一アンテナエレメントの出力と方向との関係を示す特性図、 図４は本発明アンテナアレイの一例の構成を示すブロック図、 図５は同じくそのレーダ配列を示すブロック線図、 図６は同じくその変形例を示すブロック図である。 これらの図中同一部分には同一符号を付して示す。発明を実施するための最良の形態 図１に示すアンテナアレイ10はジグザグ状または蛇行状給電線14に結合された 入／出力接続部12と、直線状に配列された10個のホーンアンテナエレメント16.1 乃至16.10とを具える。これらホーンアンテナエレメントは給電線14の順次の口 出しタップ点に結合する。説明の便宜上、アンテナエレメントとして10個のもの を示したが、これよりも多い、例えば14個乃至30個のものを用い得ること明らか である。既知のように、このアンテナエレメントの数が多くなればなるほど、ア ンテナアレイにより生ずるビーム幅が狭くなる。図２は種々の周波数且つ一定の 振幅の信号が供給される際のアンテナアレイの特性を示す。周波数を変化させる とビームが走査されるため、Ｘ軸は周波数（ｆ）または角度（φ）の何れかに関 連するようになる。このＸ軸上の０を付した点は、隣接アンテナエレメント間の 給電線の長さの整数分の１である給電信号の波長に相当するアンテナの照準ビー ムを表わす。図面から明らかなように、この領域におけるアンテナアレイの性能 は個別には悪く、照準ビームの両側に性能のピークが存在することが明らかであ る。自動車の衝突を回避する必要があることから明らかなように、走査角が最大 可能な角度の１／２以下で充分である場合には、かかる特性の一部分を実行する に好適なものの１つを用いることができる。かかる使用に好適な特性部分を図２ の垂直破線間に示す。 しかし、アンテナを走査する方向から他の方向における第１のグレーティング ローブがアンテナエレメントの特性の最大部分内にあると云う点で、照準ビーム から離れてアンテナアレイを作動させるためには費用がかかる。このアンテナエ レメントは代表的には図３に曲線Ｎで示すような角度に対する性能特性を有する 。図３においても垂直な破線は図２の破線とほぼ同様のものとする。図から明ら かなように、これはアンテナエレメントの距離の最良の性能部分ではなく、従っ てアンテナアレイの性能はグレーティングローブ問題の他に劣化をもするように なる。本発明はアンテナエレメントの性能のピークをアレイの作動の意図する点 に調整する場合にはグレーティングローブ問題を著しく低減するとともに性能の 利得をも良好とすると云う事実を基とする。 図４は本発明レーダシステムに用いるアンテナアレイの平面図である。ジグザ グ給電線は説明の便宜上省略する。アンテナエレメント16.1乃至16.14の各々の 前方にポリスチレンプリズム20.1乃至20.14(ここでは１ユニットとしてモデュー ル化して示す)を配列してエレメントの特性を垂直方向からずらせるようにする 。最良の性能に対してはエレメントの特性のピークをアンテナアレイを用いよう とする角度範囲の中心に一致させるようにする。かかる状態を図３に曲線Ｓで示 す。また、図４にはアレイのアンテナエレメント16の全ての前方に大型のプリズ ム22を配置する。このプリズム22を設けた目的は、これによってアレイから、即 ち、ポリスチレンプリズムからビームをずらせて傾斜したアレイの照準ビームを アンテナエレメントのアレイに対して再び垂直となるようにする。これは規制さ れたスペース、例えばレーダを衝突防止または知能巡航制御の目的で用いる際の 自動車の鼻部において特に興味のあるものである。また、77GHz帯域で用いるた めには、ポリスチレンプリズムは特に価格が有効であり、この材料は他のミリメ ータ波長帯域で用いるに好適である。これに対し他の材料大型の技術も当業者に とっては既知である。また、小型のプリズムをホーンにできるだけ近づけて配置 して各エネルギーからのビームを１つのプリズムのみにほぼ入射させるのが理想 的である。小型および大型のプリズムの傾斜角度を10.4°とすると、これは自動 車衝突防止用の77GHzレーダ配置に好適な性能を与えることを確かめた。 図４に示す例では、プリズム22は直角三角形となるように構成配置し、且つそ の表面がポリスチレンプリズム20.1乃至20.14からずれて対向するジグザグ面を 構成するように配置する。かかる配列によれば走査ビームは主面の何れにも90° で入射または出射しない。この角度以外では不所望な反射が生じるようになる。 好適には、プリズム22はビームを走査する任意の角度で主面が波面に平行となら ないように設計することができる。図４に示す例の変形例（図示せず）では、プ リズム22を180°に亘って回転して、ジグザグを構成する面がジグザグプリズム2 0.1乃至20.14と対向するが、ここから左右に向かって発散し得るようにする。プ リズム22の出射または再入射主面をアンテナエレメント16.1乃至16.14の開口を 構成する面にほぼ平行とする。しかし、プリズム22の出射または再入射主面には 反射が生ずるため、既知の好適な技術により波長の１／４またはその任意奇数倍 の厚さの被膜を表面に被着するのとによって、プリズムの表面に反射防止膜24を 設ける。かかる被膜を構成する材料の屈折率は誘電体および空気の幾何学的平均 値となる。 一般には、走査ビームの入射角のため、プリズム22の表面に不所望な反射が生 ずる場合には反射防止膜によってかかる反射を減衰または除去する。 本発明はパルスレーダ配列に適用し得るが、好適な配列では周波数変調連続波 （FMCW）配列を用いる。図５はかかるアンテナとともに用いるに好適なFMCWレー ダの簡単なブロック図を示す。他の情報は前述したSkolnikテキストから得るこ とができる。本例では、レーダ発振器40を鋸歯波状信号発生器42によって制御し て発振器出力の周波数が連続的に上昇して再び上昇前の出発値にリセットされる 。発振器40の出力端子をサーキュレータ44の第１入力端子に接続するとともにサ ーキュレータを経てその入出力端子として作動する第２端子によって上述したよ うに走査可能なアンテナアレイ18に接続される。アンテナアレイ18からの戻り信 号はサーキュレータの第２端子に入り第３端子から導出される。この戻り信号は 増幅器46によって増幅される。この増幅器46の出力端子をミキサ50の第１入力端 子に結合する。ミキサの第２入力端子をカプラ48に接続し、これにより発振器出 力の一部分を取出す。ミキサ50の出力は低域通過フィルタ52でフィルタ処理して ターゲットの範囲を表わす差分周波信号を取出す。プロセッサ54は、低域通過フ ィルタ52の出力を受けるとともに用途により必要とされるターゲット情報を取出 すように接続する。ターゲットの角度位置をプロセッサ54により取出し得るよう にするために、ランプ信号発生器42の出力をもプロセッサ54に供給する。 図６は本発明アンテナアレイの変形例の構成を示す。本例では個別のプリズム を省略するとともに相互に対して傾斜されたラインにアンテナエレメント16.1乃 至16.10を配列してアンテナエレメントの特性をアンテナアレイの特性から減結 合し得るようにする。再び大型のプリズム22を設けて傾斜照準ビームを垂直に戻 すか、またはアンテナアレイをほぼ垂直に戻すようにする。このプリズム22は図 ４Bに示すように配列するか、またはビームが走査される任意の角度で主面が波 面に平行とならないように設計する。 本発明は上述した例にのみ限定されるものではなく、要旨を変更しない範囲内 で種々の変形や変更が可能である。産業上の利用可能性 自動車の航行制御および／または衝突防止に用いるに好適な低コスト周波数走 査レーダ配列に利用可能である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．レーダ信号を送信する手段と、戻り信号を受信する手段と、前記戻り信号か ら距離および方向情報を取出す処理手段とを具え、信号の送受信手段のうちの少 なくとも１つが走査可能なアンテナアレイを含む指向性レーダ装置において、前 記走査可能なアンテナアレイは前記アレイに垂直とならないように配列された特 性に指向性ピークを有する複数のアンテナエレメントを具えることを特徴とする 指向性レーダ装置。 ２．前記走査可能なアンテナアレイをレーダ信号の送信手段および前記受信手段 の双方に結合することを特徴とする請求項１に記載の指向性レーダ装置。 ３．前記レーダ信号の送受信手段は周波数変調された連続波レーダ配列を具える ことを特徴とする請求項１に記載の指向性レーダ装置。 ４．前記アンテナアレイはジグザグ給電アンテナアレイを具えることを特徴とす る請求項１に記載の指向性レーダ装置。 ５．前記アンテナアレイはそのビームを前記アレイに垂直に偏向するアンテナエ レメントからのビーム経路に配列されたビーム偏向手段を具えることを特徴とす る請求項１に記載の指向性レーダ装置。 ６．前記ビーム偏向手段は前記アンテナエレメントからの波面に垂直に配列され たプリズム状素子を具えることを特徴とする請求項１に記載の指向性レーダ装置 。 ７．動作時に前記波面が通過するプリズム状素子の表面を前記アンテナエレメン トに対し平行とならないようにしたことを特徴とする請求項６に記載の指向性レ ーダ装置。 ８．前記ビームが走査される任意角度で、ほぼ90度で前記波面が入射するプリズ ム状素子の表面に反射防止膜を設けることを特徴とする請求項６に記載の指向性 レーダ装置。 ９．複数のアンテナエレメントと、これらアンテナエレメントに給電を行うジグ ザグ給電手段とを具えるアンテナアレイにおいて、前記複数のアンテナエレメン トは前記アレイに垂直とならないように配列された特性に指向性ピークを有 することを特徴とするアンテナアレイ。 10．前記アンテナアレイのビームを前記アレイに垂直に偏向するアンテナエレメ ントからのビーム経路に配列されたビーム偏向手段をさらに具えることを特徴と する請求項９に記載のアンテナアレイ。